Однослойные углеродные нанотрубки, благодаря своим исключительным свойствам, могут быть идеальным материалом для замены кремния в таких приложениях, как тонкопленочные транзисторы и высокопроизводительные логические устройства. Однако чтобы получить действительно хороший результат, ученым необходимо научиться изготавливать плотный массив выровненных друг относительно друга чистых нанотрубок. Команда из лаборатории IBM в своей последней работе продемонстрировала технику, позволяющую достичь этого результата.

Данная техника основана на так называемом методе Ленгмюра-Шефера, дающем возможность «собирать» массивы полупроводниковых нанотрубок с поверхностной плотностью более 500 шт./мкм.

Как показали последующие исследования, транзисторы, построенные на основе таких массивов, обладают рекордными характеристиками, в частности, дают возможность работать с плотностями тока выше 120 мкА/м, при этом отношение тока во включенном состоянии к току в выключенном превышает 1000.

Микроэлектронные схемы становятся все меньше, и скоро они достигнут фундаментального предела для кремния.

Ученые надеются, что углеродные нанотрубки, которые представляют собой листы графена, свернутые в цилиндры нанометрового диаметра, могут быть использованы в качестве замены кремния в электронных схемах. Эта идея особенно заманчива, учитывая, что транзисторы на основе нанотрубок потребляя лишь треть мощности, необходимой кремниевому устройству, могут работать в 3 раза быстрее.

На сегодняшний день вполне реально создать массив углеродных нанотрубок с помощью такого метода, как осаждение из газообразного состояния на кристаллической подложке. Однако этот подход на выходе дает сочетание металлических и полупроводниковых трубок, не позволяющее убрать «металлическую составляющую» без снижения производительности массива полупроводниковых трубок. К примеру, металлические и полупроводниковые трубки могут быть разделены в растворе, а затем собраны в соответствующие массивы с помощью внешнего электрического поля, но, к сожалению, эта методика позволяет создать массив плотностью не более 50 шт./мкм. Такая плотность слишком низка для построения транзистора (характеристики такого массива не могут конкурировать с устройствами на основе кремния).

Для решения этой проблемы группа ученых из IBM TJ Watson Research Centre (США) предложила использовать технику, основанную на методе Ленгмюра-Шефера, – универсальный способ создания плотных массивов таких одномерных наноматериалов, как углеродные нанотрубки или нанопроволока.

После диспергирования нанотрубок на поверхности воды, благодаря поверхностному натяжению они распределяются так, что образуют ровный слой. При этом нанотрубки ориентированы в случайном порядке. После этого внешнее давление позволяет их выровнять в одном направлении, при этом расстояние между нанотрубками будет определяться их диаметром. Метод позволяет создавать массивы, где полупроводниковые свойства проявляет до 99% нанотрубок.

Подробные результаты работы ученых и детали предложенной методики описаны в журнале Nature Nanotechnology.

Вдохновленные первыми положительными результатами, ученые в данный момент стараются оптимизировать технику, чтобы улучшить электрический контакт между массивом нанотрубок и металлическим электродом в устройстве. Кроме того,

они рассматривают возможность дальнейшей оптимизации процесса разделения нанотрубок на металлические и полупроводниковые.