Гибкая электроника будущего на базе углеродных нанотрубок

Исследователи из Техасского университета в Остине и Северо-Западного университета продемонстрировали новый способ повышения надежности и улучшения работы транзисторов и схем, основанный на применении углеродных нанотрубок, полупроводникового материала, который долгое время считался учеными одной из наиболее перспективных альтернатив кремнию, поскольку позволял создавать более дешевые электронные приборы меньших размеров с улучшенным быстродействием. Результат исследования описан в новом докладе, напечатанном в журнале «Applied Physics Letters» издательства AIP Publishing.

На рисунке приведены оптические изображения отдельных полевых транзисторов с однослойной углеродной нанотрубкой.

Авторы: S. Jang и A. Dodabalapur/Техасский университет (Остин)

В докладе ученые рассмотрели влияние фторполимерного покрытия ПВДФ-ТФЭ на транзисторы с однослойными углеродными нанотрубками (ОСУНТ) и схемы кольцевых генераторов и продемонстрировали значительное улучшения работы приборов с однослойными углеродными нанотрубками благодаря этому покрытию. Покрытие ПВДФ-ТФЭ также известно своим длинным химическим названием поливинилидендифторид-тетрафторэтилен.

«Мы связываем данные улучшения с полярными свойствами покрытия ПВДФ-ТФЭ, которые уменьшают отрицательное воздействие примесей и дефектов на работу полупроводниковых однослойных углеродных нанотрубок», – рассказывает Анант Додабалапур, профессор из инженерной школы Кокрелла (Техасский университет в Остине) и руководитель данного исследования. «Применение защитных слоев из [ПВДФ-ТФЭ] может дать существенный толчок использованию схем с однослойными углеродными нанотрубками в печатной электронике и гибких дисплеях».

Работа велась при сотрудничестве группы под руководством Додабалапура из ТУ в Остине и группы Марка Герсэма из Северо-Западного университета в рамках научно-исследовательской инициативы среди университетов (MURI) при поддержке управления военно-морских исследований.

Возможная альтернатива кремниевым кристаллам

Однослойные углеродные нанотрубки (ОСУНТ) являются чуть ли не самыми тонкими трубками, которые существуют в природе. Они представляют собой цилиндры, полученные при сворачивании материала, известного под названием графен и образованного плоским слоем углеродного графита толщиной в один атом. Большинство однослойных углеродных нанотрубок, как правило, имеют диаметр близкий к 1 нанометру и могут быть скручены, выровнены или изогнуты в круги малого диаметра или под острым углом без излома. Эти ультратонкие угольные нити обладают высокой подвижностью, высокой прозрачностью и электропроводностью, что делает их идеальными для выполнения электронных заданий и изготовления гибких электронных приборов, например, пленочных транзисторов, двухпозиционных переключателей, находящихся в центре цифровых электронных систем.

«Характеристики полевых транзисторов с однослойными углеродными нанотрубками схожи с характеристиками полевых транзисторов из поликристаллического кремния – тонкопленочного кремниевого транзистора, используемого в настоящее время для управления пикселями в дисплеях на органических светодиодах», сообщает Марк Герсэм, коллега Додабалапура и профессор школы техники и прикладной физики Маккормика в Северо-Западном университете. «Но преимущество однослойных углеродных нанотрубок над трубками из поликристаллического кремния состоит в возможности их обработки в растворе или печати, следствием чего может стать снижение производственных затрат».

«Механическая гибкость однослойных углеродных нанотрубок также обеспечивает возможность их использования в таких новых областях, как гибкие и носимые электронные устройства», считает Герсэм.

В течение многих лет исследователи изучали использование устройств с углеродными нанотрубками в качестве замены кремниевым деталям, поскольку в ближайшее время физические свойства кремния не смогут обеспечить получение более компактных, быстрых и дешевых электронных приборов. «И хотя ожидают, что в будущем схемы, выполненные с использованием однослойных углеродных нанотрубок, будут иметь меньшее энергопотребление, их недостатки в полевых транзисторах, как то высокая рассеиваемая мощность и сниженная стабильность, в настоящее время ограничивают их применение в печатной электронике», сообщает Додабалапур.

Новый способ улучшения рабочих характеристик приборов с ОСУНТ

Для устранения недостатков полевых транзисторов с однослойными углеродными нанотрубками и улучшения их работы исследователи наносили покрытие ПВДФ-ТФЭ на верхнюю поверхность таких транзисторов, изготовленных методом самосборки, при помощи струйной печати – недорогой процесс нанесения покрытия с раствором в качестве реагента и высоким пространственным разрешением. После чего фторполимерная пленка подвергалась отжигу или нагреву при 140 градусах Цельсия в течение трех минут. Позже ученые наблюдали разницу в характеристиках приборов.

«Мы обнаружили существенное улучшение рабочих характеристик однослойных углеродных нанотрубок с фторполимерным покрытием, как на уровне приборов, так и на уровне схем», рассказал Додабалапур.

Что касается приборов, наблюдалось значительное снижение таких ключевых параметров как величина тока отключения, степень гистерезиса, колебания в пороговом напряжении и понижение напряжения смещения, что, по словам Додабалапура, означает получение более энергоэффективных, устойчивых и однородных транзисторов с увеличенным сроком службы.

На уровне схем с учетом того, что транзистор является самым главным компонентом цифровых схем, улучшение однородности характеристик прибора с положительным эффектом от использования отдельных транзисторов впоследствии привело к повышению эффективности пятиступенчатой комплементарной схемы кольцевого генератора, одной из наиболее простых цифровых схем.

«Частота и амплитуда колебаний [схемы кольцевого генератора на основе однослойной углеродной нанотрубкой] выросли на 42 и 250 процентов соответственно», сообщает Додабалапур. Данные параметры указывают, что скорость и качество работы схемы возросли при возможном снижении энергопотребления.

Додабалапур и его коллеги связывают эти улучшения с полярностью покрытия ПВДФ-ТФЭ.

«Перед изготовлением полевых транзисторов с однослойными углеродными нанотрубками методом струйной печати было выполнено их распыление в органическом растворителе для получения пригодных к печати чернил. По завершении процесса изготовления существовала вероятность присутствия [на приборе] остаточных химических веществ, обуславливающих фоновую концентрацию примеси,» объясняет Додабалапур. «Такие примеси могут действовать как заряженные дефекты, захватывающие носителей заряда в полупроводниках, что приводит к снижению их подвижности и впоследствии может привести к ухудшению работы транзисторов».

Как сообщает Додабалапур, ПВДФ-ТФЭ является полярной молекулой, чьи отрицательные и положительные заряды разделены и расположены на разных концах молекулы. Два заряженных конца образуют между собой электрическую связь или диполь. После отжига все диполи в молекулах ПВДФ-ТФЭ получают устойчивую ориентацию, которая стремится к ликвидации влияния заряженных примесей в полевых транзисторах с однослойной углеродной нанотрубкой, облегчая тем самым поток носителей в полупроводнике и улучшая работу прибора.

Для подтверждения своих гипотез Додабалапур и его соратники провели ряд экспериментов для сравнения влияния паров с полярными и неполярными связями на полевые транзисторы на основе однослойных углеродных нанотрубок. Результаты подтвердили их предположения.

Следующим шагом, по словам Додабалапура, станет внедрение более сложных схем на полевых транзисторах с однослойными углеродными нанотрубками.

Источник: http://electroiq.com/blog/2014/09/future-flexible-electronics-based-on-carbon-nanotubes/