Investigadores de la Universidad de Texas en Austin y la Universidad Northwestern han demostrado un nuevo método para mejorar la confiabilidad y el rendimiento de transistores y circuitos basados ​​en nanotubos de carbono (CNT). un material semiconductor que durante mucho tiempo ha sido considerado por los científicos como uno de los sucesores más prometedores del silicio para los más pequeños, Dispositivos electrónicos más rápidos y económicos. El resultado aparece en un nuevo artículo publicado en la revista. Letras de física aplicada , de AIP Publishing.

En el papel, Los investigadores examinaron el efecto de un recubrimiento de fluoropolímero llamado PVDF-TrFE en transistores de nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) y circuitos de oscilador de anillo. y demostró que estos recubrimientos pueden mejorar sustancialmente el rendimiento de los dispositivos de nanotubos de carbono de pared simple. PVDF-TrFE también se conoce por su nombre químico largo polivinilendifluoruro-tetrafluoroetileno.

"Atribuimos las mejoras a la naturaleza polar del PVDF-TrFE que mitiga el efecto negativo de las impurezas y los defectos en el rendimiento de los nanotubos de carbono semiconductores de pared simple, "dijo Ananth Dodabalapur, profesor de la Escuela de Ingeniería Cockrell en UT Austin que dirigió la investigación. "El uso de capas de recubrimiento [PVDF-TrFE] será muy beneficioso para la adopción de circuitos de nanotubos de carbono de pared simple en aplicaciones de electrónica impresa y pantallas flexibles".

El trabajo se realizó en colaboración entre el grupo de Dodabalapur en UT Austin y el grupo de Mark Hersam en la Universidad Northwestern como parte de una Iniciativa de Investigación Multiuniversitaria (MURI) apoyada por la Oficina de Investigación Naval.

Un sucesor potencial de los chips de silicio

Los nanotubos de carbono de pared simple (SWCNT) son los tubos más delgados que se pueden fabricar en la naturaleza. Son cilindros formados enrollando un material conocido como grafeno, que es un piso, capa de grafito de carbono de un solo átomo de espesor. La mayoría de los nanotubos de carbono de pared simple suelen tener un diámetro cercano a 1 nanómetro y pueden retorcerse, aplanados y doblados en pequeños círculos o alrededor de curvas cerradas sin romperse. Estos filamentos de carbono ultrafinos tienen una gran movilidad, alta transparencia y conductividad eléctrica, haciéndolos ideales para realizar tareas electrónicas y hacer dispositivos electrónicos flexibles como transistores de película delgada, los interruptores de encendido y apagado en el corazón de los sistemas electrónicos digitales.

"Los transistores de efecto de campo (FET) de nanotubos de carbono de pared simple tienen características similares a los FET de silicio policristalino, un transistor de silicio de película fina que se utiliza actualmente para controlar los píxeles en pantallas de emisión de luz orgánica (OLED), "dijo Mark Hersam, Compañero de trabajo de Dodabalapur y profesor en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas McCormick de la Universidad Northwestern. "Pero los nanotubos de carbono de pared simple son más ventajosos que el silicio policristalino porque son procesables en solución o imprimibles, lo que potencialmente podría reducir los costos de fabricación ".

La flexibilidad mecánica de los nanotubos de carbono de pared simple también debería permitir su incorporación en aplicaciones emergentes como la electrónica flexible y la electrónica portátil. él dijo.

Durante años, Los científicos han estado experimentando con dispositivos de nanotubos de carbono como sucesores de los dispositivos de silicio. dado que el silicio pronto podría alcanzar su límite físico al ofrecer cada vez más pequeños, Dispositivos electrónicos más rápidos y económicos. Aunque se espera que los circuitos fabricados con nanotubos de carbono de pared simple sean más eficientes energéticamente que los de silicio en el futuro, sus inconvenientes en los transistores de efecto de campo, como disipación de alta potencia y menos estabilidad, limitan actualmente sus aplicaciones en electrónica impresa, según Dodabalapur.

Una nueva técnica para mejorar el rendimiento de los dispositivos SWCNT

Para superar los inconvenientes de los transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono de pared simple y mejorar su rendimiento, los investigadores depositaron PVDF-TrFE en la parte superior de transistores de nanotubos de carbono de pared simple fabricados por ellos mismos mediante impresión de inyección de tinta, un bajo costo, proceso de deposición basado en solución con buena resolución espacial. A continuación, la película revestida de fluoropolímero se recoció o se calentó al aire a 140 grados Celsius durante tres minutos. Más tarde, los investigadores observaron las diferencias en las características del dispositivo.

"Encontramos mejoras sustanciales en el rendimiento con el nanotubo de carbono de pared simple recubierto de fluoropolímero tanto en el nivel del dispositivo como en el nivel del circuito, "Señaló Dodabalapur.

A nivel de dispositivo, se producen disminuciones significativas en parámetros clave como la magnitud de la corriente fuera de corriente, grado de histéresis, variación en la tensión de umbral y degradación de la tensión de polarización, cuales, Dodabalapur dijo:significa un tipo de energía más eficiente, transistores estables y uniformes con una vida útil más larga.

En el nivel del circuito, Dado que un transistor es el componente más básico de los circuitos digitales, la uniformidad mejorada en las características del dispositivo, más los efectos beneficiosos de los transistores individuales eventualmente dan como resultado un mejor rendimiento de un circuito oscilador de anillo complementario de cinco etapas, uno de los circuitos digitales más simples.

"La frecuencia y amplitud de oscilación [del circuito del oscilador de anillo de nanotubos de carbono de pared simple] ha aumentado en un 42 y un 250 por ciento, respectivamente, ", dijo Dodabalapur. Los parámetros indican un circuito más rápido y de mejor rendimiento con un consumo de energía posiblemente reducido.

Dodabalapur y sus compañeros de trabajo atribuyeron las mejoras a la naturaleza polar de PVDF-TrFE.

"Antes de que los transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono de pared simple fueran fabricados mediante impresión por inyección de tinta, se dispersaron en un disolvente orgánico para hacer una tinta imprimible. Después del proceso de fabricación, podría haber residuos químicos [en el dispositivo], causando concentración de impurezas de fondo, "Dodabalapur explicó." Estas impurezas pueden actuar como defectos cargados que atrapan a los portadores de carga en los semiconductores y reducen la movilidad de los portadores, lo que eventualmente podría deteriorar el desempeño de los transistores ".

PVDF-TrFE es una molécula polar cuyas cargas negativas y positivas están separadas en diferentes extremos de la molécula, Dijo Dodabalapur. Los dos extremos cargados forman un enlace eléctrico, o dipolo, entre. Después del proceso de recocido, los dipolos en las moléculas de PVDF-TrFE adoptan uniformemente una orientación estable que tiende a cancelar los efectos de las impurezas cargadas en los transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono de pared simple, lo que facilitó el flujo de portadores en el semiconductor y mejoró el rendimiento del dispositivo.

Para confirmar su hipótesis, Dodabalapur y sus compañeros de trabajo realizaron experimentos comparando los efectos de los vapores polares y no polares en transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono de pared simple. Los resultados apoyan su suposición.

El siguiente paso, Dodabalapur dijo:es implementar circuitos más complejos con transistores de efecto de campo de nanotubos de carbono de pared simple.