В течение многих лет ученые пытаются использовать
уникальные свойства углеродных нанотрубок, крошечных цилиндров, углеродные
стенки которых имеют одноатомную толщину, для изготовления миниатюрной и
высокоэффективной электроники.
Однако, несмотря на все попытки, транзисторы,
изготовленные из нанотрубок, раньше проигрывали по всем параметрам традиционным
транзисторам, изготовленным из кремния, арсенида галлия и других
полупроводниковых материалов.
И лишь недавно ученым из университета
Висконсина-Мадисона (University of Wisconsin-Madison) впервые в истории удалось
создать "нанотрубочные" транзисторы, которые по некоторым параметрам
превосходят их кремниевые аналоги.
Транзисторы на основе углеродных нанотрубок были созданы
группой, возглавляемой профессорами Майклом Арнольдом (Michael Arnold) и Падмой
Гопалан (Padma Gopalan).
Во время испытаний транзисторы смогли проводить через
себя электрический ток, силой в 1.9 раза превосходящей силу тока, который
способны проводить кремниевые транзисторы с аналогичной длиной канала,
размерами и другими параметрами.
Согласно теоретическим расчетам, транзисторы из
углеродных нанотрубок должны иметь набор характеристик, который минимум в пять
раз превышает по всем показателям характеристики кремниевых транзисторов.
Однако, для того, чтобы иметь возможность изготовления близких к идеальным
транзисторов, требуются нанотрубки высокой степени чистоты, в которых
отсутствуют нанотрубки, обладающие металлическими свойствами в силу дефектов их
структуры. Ученым удалось решить эту проблему при помощи определенных
полимерных материалов, которые выступили в роли фильтра, связавшего только
металлические нанотрубки и оставив в фильтруемом растворе только нанотрубки,
обладающие полупроводниковыми свойствами.
"Нам удалось подобрать особые условия, которые
позволили нам избавиться от почти всех металлических нанотрубок. В результате
мы получили раствор с концентрацией металлических нанотрубок меньше 0.01
процента" - рассказывает Майкл Арнольд.
Подложка с транзисторами
Кроме очистки раствора от ненужных нанотрубок, ученым
удалось решить проблему точного размещения и выравнивания нанотрубок на
основании. Это было сделано при помощи технологии самосборки и самовыравнивания
(floating evaporative self-assembly), разработанной в университете
Висконсина-Мадисона еще в 2014 году.
И последней решенной сложной проблемой стало обеспечение
надежного электрического контакта углеродных нанотрубок с металлическими электродами
будущих транзисторов. Это было сделано снова при помощи полимера, речь о
котором шла немного выше. Этот полимер действовал как изолятор между
нанотрубкой и металлическим электродом. После высокотемпературной обработки в
микроволновой печи этот полимер распался, изолирующий слой исчез и между
нанотрубкой и электродом образовался отличный электрический контакт.
В нынешнее время исследователи работали с кремниевыми
подложками, размером 1 на 1 дюйм, а в ближайшее время они начнут адаптировать
разработанные ими технологии и методы для работы с 300-мм промышленными
подложками, что в будущем позволит наладить широкомасштабное производство
первых нанотрубочных транзисторов, предназначенных для эффективных
высокочастотных усилителей, которые можно будет использовать в мобильных
телефонах.
Параллельно с этим ученые будут продолжать работу над
совершенствованием всех технологий, что позволит приблизить характеристики
реальных транзисторов к идеальным характеристикам.
