Транзисторы из углеродных нанотрубок впервые обошли кремниевые

Образец слоя из ориентированных полупроводниковых нанотрубок

Stephanie Precourt / UW-Madison

Физики из Университета Висконсина создали транзистор из углеродных нанотрубок, который впервые обошел по своим характеристикам современные кремниевые транзисторы. То, что углеродные нанотрубки обладают лучшими характеристиками, чем традиционные полупроводниковые материалы, было известно давно, однако лишь сейчас ученым удалось обойти все технологические сложности и наконец создать достаточно эффективное устройство. Исследование опубликовано в журнале Science Advances, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Углеродные нанотрубки представляют собой цилиндры, стенки которых состоят из одноатомного слоя углерода. Они известны благодаря своим необычным электрическим и механическим свойствам. К примеру, их даже предлагали использовать в качестве материала для космического лифта — троса от земной поверхности до геостационарной орбиты. К тому же нанотрубки обладают высокой электропроводностью и величиной критического тока (в тысячи раз больше, чем у меди). Подвижность зарядов в материале гораздо больше, чем в кремнии, что, по словам ученых, может обеспечить создание в пять раз более эффективных (или более быстрых) полупроводниковых приборов. 

Интересно, что в зависимости от расположения атомов углеродные нанотрубки могут обладать различными свойствами. Можно представить, что для того, чтобы получить нанотрубку, мы сворачиваем углеродный лист. Сворачивая его не параллельно краям, а под углом, мы получим нанотрубку, в которой ряды атомов углерода упорядочены по спирали. При некоторых наклонах «сворачивания» нанотрубки ведут себя как полуметаллы, при других — как полупроводники. 

Для создания транзисторов необходимо использовать только полупроводниковые нанотрубки, поскольку металлические включения будут обеспечивать пробой и нарушение работы приборов. Кроме того, поскольку нанотрубки могут проводить электроны лишь вдоль одного направления, внутри транзистора они должны располагаться упорядоченно. Из-за этого первые полупроводниковые приборы из нанотрубок обладали очень низкой эффективностью — на порядки хуже ожидаемой. Приблизиться к необходимым параметрам удалось лишь в устройствах с одиночной нанотрубкой.

В новой работе физики объединили наработки по методам разделения нанотрубок, формирования их упорядоченных слоев и подключения к электрическим контактам. К примеру, для отделения полупроводниковой компоненты от металлической, ученые использовали специально разработанный «скотч». Для упорядочения параллельных рядов нанотрубок на подложке ученые использовали технику самосборки из раствора. В результате материаловедам удалось создать тонкий слой, в одном микрометре ширины которого умещалось 47 нанотрубок.

Ученые испытали электрические свойства получившихся полевых транзисторов, в частности, оценив в них плотность тока насыщения. Она оказалась равной 900 микроамперам на микрометр, что, по словам авторов, сопоставимо и даже превосходит современные устройства на основе кремния и арсенида галлия (с аналогичными размерами). Эта величина связана с подвижностью зарядов и влияет на скорость работы транзисторов.

Одним из применений устройств на основе углеродных нанотрубок и, возможно, графена может стать гибкая электроника. Сейчас технологии полностью гибких плат основаны на проводящих полимерах. Подвижность зарядов, а значит и быстродействие в них, гораздо меньше, чем у кремния и других полупроводников, используемых в «твердой» электронике. Использование углеродных нанотрубок может помочь сделать гибкую электронику быстрее.

Недавно физики из Университета Райса рассказали о необычном эксперименте с самосборкой углеродных нанотрубок. Оказывается, они могут объединяться в протяженные провода под действием электромагнитных полей трансформатора Теслы. 

Владимир Королёв

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.