Исследование подчеркивает важность чистых углеродных нанотрубок

По словам исследователей из Исследовательского института энергетической безопасности (ESRI) в Университете Суонси в сотрудничестве с исследователями из Университета Райса, углеродные нанотрубки, связанные с электроникой, должны быть настолько чистыми, насколько это возможно, чтобы максимизировать их полезность в наномасштабе следующего поколения устройства и контактные эффекты могут ограничивать использование крошечного устройства nano.

Фото: Университет Суонси

Директор ESRI Эндрю Баррон, профессор Университета Райса в США, и его команда обнаружили, как сделать нанотрубки достаточно чистыми для достижения воспроизводимых электронных измерений. В этом процессе они не только объяснили, почему электрические свойства нанотрубок традиционно были настолько жесткими для измерения, но показали, что может быть граница с тем, как будущие электронные устройства «нано» могут использовать углеродные нанотрубки.

Как и любой стандартный провод, полупроводниковые нанотрубки все более устойчивы к току вдоль их длины. Но измерения проводимости нанотрубок за эти годы были чем-то надежным. Команда ESRI хотела выяснить, почему.

Мы заинтересованы в создании проводников на основе нанотрубок, и, хотя люди смогли проложить провода, их проводимость не оправдала ожиданий. Мы были заинтересованы в определении основного брака за изменчивостью, наблюдаемой другими исследователями.

Профессор Эндрю Баррон, директор ESRI

Они обнаружили, что трудноизвлекаемые загрязняющие вещества – оставшийся углерод, железный катализатор и вода – могут легко наклонить результаты испытаний на электропроводность. Сжигание их, говорит Баррон, предлагает новые возможности для углеродных нанотрубок в наноразмерной электронике.

Новое исследование было опубликовано в журнале «Американские химические общества» Nano Letters.

Исследователи впервые создали многослойные углеродные нанотрубки диаметром от 40 до 200 нм и длиной до 30 мкм. Затем они либо бомбардировали их ионами аргона, либо нагревали нанотрубки в вакууме, чтобы очистить их поверхности.

Они анализировали отдельные нанотрубки так же, как и любой электрический проводник: прикоснувшись к ним двумя зондами, чтобы наблюдать, сколько тока передается через материал от одного кончика к другому. Здесь их вольфрамовые зонды были подключены к сканирующему туннельному микроскопу.

В чистых нанотрубках сопротивление становилось все сильнее, поскольку расстояние увеличивалось, как и должно было. Но результаты были неточными, когда зонды касались поверхностных загрязнений, которые усиливали напряженность электрического поля на кончике. Кроме того, области обедненной проводимости, вызванные загрязняющими веществами, перекрывались, когда измерения проводились в пределах 4 мкм друг от друга, что еще больше испортило результаты.

«[1945902]« Мы думаем, поэтому в литературе существует такая несогласованность », – сказал Баррон « Если нанотрубки должны быть легким проводником следующего поколения, то последовательные результаты, периодические партии, и образец к образцу, необходим для таких устройств, как двигатели и генераторы, а также энергосистемы ».

Отжиг нанотрубок в вакууме выше 200 ° C (392 ° F) снизил поверхностное загрязнение, но недостаточно для устранения ненадежных результатов, обнаружили исследователи. Ионная бомбардировка аргоном также очищала трубы, но вызывала увеличение дефектов, которые ухудшают проводимость.

В конце концов они изучили вакуумные отжиговые нанотрубки при 500 ° C (932 ° F), уменьшили загрязнение, чтобы точно измерить сопротивление.

До сих пор, сказал Баррон, инженеры, которые используют волокна или пленки из нанотрубок в устройствах, изменяют материал посредством легирования или другие средства для получения требуемых электропроводящих свойств. Но если исходные нанотрубки удовлетворительно дезактивированы, они должны иметь возможность получать правильную проводимость, просто устанавливая контакты в правильном месте.

«. Ключевым результатом нашей работы было то, что если контакты на нанотрубке находятся на расстоянии менее 1 микрона, электронные свойства нанотрубки меняются от проводника к полупроводнику из-за наличия перекрывающихся зон истощения» сказал Баррон, « это имеет потенциальный ограничивающий фактор по размеру электронных устройств на основе нанотрубок – это ограничило бы применение закона Мура к устройствам нанотрубок».

Ведущим автором статьи является Крис Барнетт из Суонси. Соавторами являются Cathren Gowenlock и Kathryn Welsby, а также выпускник Райс Элвин Орбек Уайт из Суонси. Баррон является председателем Сэр Цимру по низкоуглеродной энергии и окружающей среде в Суонси и профессором химии Чарльзом У. Дунканом младшим-Уэлчем и профессором материаловедения и наноинженерии в Райсе.

Исследование было поддержано Национальной исследовательской сетью правительства Уэльса Sêr Cymru в области усовершенствованной инженерии и материалов, Программой председателей Sêr Cymru, Управлением военно-морских исследований и Фондом Robert A. Welch.

Source link