Een knb-transistor op een siliciumoxide/silicium-ondergrond . D en S zijn de elektroden. (afb: Science Advances)

Koolstofnanobuisjes (knb), de geschiedenis herhaalt zich keer op keer, hebben een grootse toekomst voor de boeg, maar nu nog even niet. De buisjes, die er een beetje uitzien als opgerold prikkeldraad (maar dan op nanoafmetingen), zouden vooral in de elektronica opzienbarende dingen kunnen doen, maar dat lukte maar steeds niet. Tot nu toe. Voor het eerst zouden transistoren gemaakt  van koolstofnanobuisjes hun hun siliciumconcurrenten op elektronische eigenschappen hebben verslagen.

Het wonder is geschied aan de universiteit van Wisconsin-Madison in de VS. Michael Arnold van die universiteit en medeonderzoekers, melden dat ze koolstofnanobuistransistoren hebben gemaakt, die een bijna twee zo hoge stroomsterkte hadden als siliciumtransistoren. Volgens Arnold zou dat de droom van naotechnologen zijn geweest in de afgelopen twintig jaar. “Koolstoftransistoren maken die beter zijn dan siliciumtransistoren kan een mijlpaal genoemd worden. Dat zou de doorbraak van de toepassing van koolstoftransistoren in zeer snelle communicatie en andere halfgeleiderelektronica kunnen betekenen.” De nieuwe koolstoftransistoren zouden vooral veel kunnen betekenen voor draadloze communicatie die hoge stroomsterktes vereisen in een relatief klein gebied.
Als een van de betere geleiders van elektriciteit, zijn koolstofnanobuistranistoren lang beschouwd als hét materiaal voor de transistoren van de toekomst. Die zouden in theorie vijf keer beter moeten kunnen presteren of vijf keer minder energie verbruiken dan siliciumtransistoren. In feite is dat getal een extrapolatie van de meting aan een zo’n miniem buisje. Er zou veel sneller mee geschakeld kunnen worden, waardoor een grotere bandbreedte in de draadloze communicatie zou kunnen worden bereikt.

Weerbarstige praktijk

Maar ja, die weerbarstige praktijk. Het is nog niet zo eenvoudig om keurige nanobuisjes te maken en die vorm en samenstelling is cruciaal. Metallische verontreinigingen maken de buisjes als halfgeleider onbruikbaar.
De onderzoekers in Wisconsin gebruikten een polymeer (voor de liefhebbers: poly[(9,9-dioctylfluorenyl-2,7-diyl)-alt-co-(6,60-(2,20-bipyridine)) ) om buisjes te krijgen van de juiste vorm en samenstelling. Arnold: “We hebben speciale omstandigheden gecreëerd waardoor je bijna vrijwel geen metallische nanobuisjes krijgt: minder dan 0,01%.”

Vervolgens is het hanteren van die kleine buisjes ook niet erg eenvoudig. Om een goede transistor te maken moeten de buisjes keurig uitgelijnd worden met de juiste ruimtes ertussen. In 2014 werd ook in Wisconsin een techniek ontwikkeld, aan vorm van zelfassemblage, waarmee dat probleem werd opgelost.
De buisjes moeten een goed contact maken met de metalen elektroden van de transistor. Omdat het polymeer dat de onderzoekers gebruikten om de juiste buisjes te verkrijgen fungeert als een isolatielaag tussen de buisjes en de elektroden, werd die laag in een vacuümoven weggebrand, met als resultaat een uitstekend contact tussen buisjes en elektroden.
Arnold: “We hebben laten zien dat je de problemen die er zijn bij het werken met nanobuisjes kunt overwinnen, terwijl we meteen ook transistoren hebben gemaakt die beter werken dan silicium- of galliumarsenidetransistoren.”  De onderzoekers vergeleken de eigenschappen bij transistoren met eenzelfde grootte, geometrie en lekstroom, om appels met appels te vergelijken.

Ze sleutelen nog wat aan hun knb-transistor, zodat de geometrie dezelfde is als van siliciumtransistoren. Ze werken ook aan radiofrekwentieversterkers, waarmee het signaal van een telefoon kan worden opgepept. In het lab hebben de onderzoekers plakken met transistoren gemaakt van 2,5 bij 2,5 cm, maar voor commerciële productie zullen die plakken nog groter moeten worden. Ook daar zijn ze mee bezig.
Arnold: “Er is een hoop beloofd bij nanobuisjes dat niet is waargemaakt. Dat heeft mensen wantrouwig gemaakt. We denken dat die grote aandacht terecht was. Het heeft alleen wat decennia geduurd om die beloftes waar te maken.” De universiteit heeft maar meteen octrooi aangevraagd op het procédé.

Bron: EurekAlert