Koolstofnanobuisjes kunnen elektronica helpen de barre omstandigheden in de ruimte te weerstaan

Er werd een geheugenchip gemaakt van transistors met koolstofnanobuisjes die hun elektrische eigenschappen en geheugen behielden nadat ze werden gebombardeerd door grote hoeveelheden straling. Credit: Aangepast van ACS Nano 2021, DOI: 10.1021/acsnano.1c04194

Ruimtemissies, zoals NASA’s Orion die astronauten naar Mars zal brengen, verleggen de grenzen van menselijke verkenning. Maar tijdens hun transit stuiten ruimtevaartuigen op een continue stroom van schadelijke kosmische straling, die de elektronica aan boord kan beschadigen of zelfs vernietigen. Om toekomstige missies uit te breiden, rapporteren onderzoekers in ACS Nano laten zien dat transistoren en circuits met koolstofnanobuisjes kunnen worden geconfigureerd om hun elektrische eigenschappen en geheugen te behouden nadat ze zijn gebombardeerd door grote hoeveelheden straling.

De levensduur en afstand van deep space-missies worden momenteel beperkt door de energie-efficiëntie en robuustheid van de technologie die ze aandrijft. Zo kan harde straling in de ruimte elektronica beschadigen en datastoringen veroorzaken, of zelfs computers volledig laten uitvallen. Een mogelijkheid is om koolstofnanobuisjes op te nemen in veelgebruikte elektronische componenten, zoals veldeffecttransistoren. Verwacht wordt dat deze enkel-atoom dikke buizen transistors energiezuiniger zullen maken in vergelijking met meer alledaagse, op silicium gebaseerde versies. In principe zou het ultrakleine formaat van de nanobuisjes ook moeten bijdragen aan het verminderen van de effecten die straling zou hebben bij het raken van geheugenchips die deze materialen bevatten. De stralingstolerantie voor veldeffecttransistors van koolstofnanobuisjes is echter niet uitgebreid bestudeerd. Dus wilden Pritpal Kanhaiya, Max Shulaker en collega’s zien of ze dit type veldeffecttransistor konden ontwerpen om hoge stralingsniveaus te weerstaan, en geheugenchips te bouwen op basis van deze transistors.

Om dit te doen, deponeerden de onderzoekers koolstofnanobuisjes op een siliciumwafel als halfgeleidende laag in veldeffecttransistoren. Vervolgens testten ze verschillende transistorconfiguraties met verschillende niveaus van afscherming, bestaande uit dunne lagen hafniumoxide en titanium en platinametaal, rond de halfgeleidende laag. Het team ontdekte dat het plaatsen van schilden zowel boven als onder de koolstofnanobuisjes de elektrische eigenschappen van de transistor beschermde tegen inkomende straling tot 10 Mrad – een niveau dat veel hoger is dan de meeste op silicium gebaseerde stralingstolerante elektronica aankan. Toen alleen een schild onder de koolstofnanobuisjes werd geplaatst, werden ze beschermd tot 2 Mrad, wat vergelijkbaar is met commerciële op silicium gebaseerde stralingstolerante elektronica. Ten slotte heeft het team, om een ​​evenwicht te bereiken tussen fabricage-eenvoud en robuustheid van straling, statische SRAM-chips (Random Access Memory) gebouwd met de onderste schildversie van de veldeffecttransistors. Net als bij experimenten die op de transistors werden uitgevoerd, hadden deze geheugenchips een vergelijkbare röntgenstralingsdrempel als op silicium gebaseerde SRAM-apparaten.

Deze resultaten geven aan dat veldeffecttransistors van koolstofnanobuisjes, vooral dubbel afgeschermde, een veelbelovende toevoeging kunnen zijn aan de volgende generatie elektronica voor ruimteverkenning, zeggen de onderzoekers.