Onderzoekers bedenken nieuwe manieren om op koolstof gebaseerde halfgeleiders te ontwikkelen voor de elektronica van de toekomst

Het lijkt misschien op een rol kippengaas, maar deze kleine cilinder van koolstofatomen – te klein om met het blote oog te zien – zou op een dag kunnen worden gebruikt voor het maken van elektronische apparaten, variërend van nachtkijkers en bewegingsdetectoren tot efficiëntere zonnecellen. dankzij technieken ontwikkeld door onderzoekers van Duke University.

Hun werk is gepubliceerd in het journaal Proceedings van de Nationale Academie van Wetenschappen.

Koolstofnanobuisjes, voor het eerst ontdekt in het begin van de jaren negentig, zijn gemaakt van losse vellen koolstofatomen, opgerold als een rietje.

Koolstof is niet bepaald een nieuwbakken materiaal. Al het leven op aarde is gebaseerd op koolstof. Het is hetzelfde spul dat je vindt in diamanten, houtskool en potlood. Wat koolstofnanobuisjes bijzonder maakt, zijn hun opmerkelijke eigenschappen. Deze kleine cilinders zijn sterker dan staal en toch zo dun dat 50.000 ervan de dikte van een mensenhaar zouden evenaren.

Ze zijn ook verbazingwekkend goed in het geleiden van elektriciteit en warmte. Daarom worden koolstofnanobuisjes, in het streven naar snellere, kleinere en efficiëntere elektronica, al lang aangeprezen als potentiële vervangingen voor silicium.

Maar het produceren van nanobuisjes met specifieke eigenschappen is een uitdaging.

Afhankelijk van hoe ze zijn opgerold, worden sommige nanobuisjes als metaalachtig beschouwd, wat betekent dat elektronen er met elke energie doorheen kunnen stromen. Het probleem is dat ze niet kunnen worden uitgeschakeld. Dit beperkt hun gebruik in digitale elektronica, die elektrische signalen gebruikt die aan of uit zijn om binaire toestanden op te slaan; net zoals silicium halfgeleidertransistors tussen 0 en 1 bits schakelen om berekeningen uit te voeren.

Duke scheikundeprofessor Michael Therien en zijn team zeggen dat ze hier een manier omheen hebben gevonden. De aanpak neemt een metalen nanobuisje, dat altijd stroom doorlaat, en transformeert het in een halfgeleidende vorm die aan en uit kan worden gezet.

Het geheim schuilt in speciale polymeren – stoffen waarvan de moleculen in lange ketens aan elkaar zijn gehaakt – die in een ordelijke spiraal rond de nanobuis wikkelen, ‘alsof je een lint om een ​​potlood wikkelt’, zegt eerste auteur Francesco Mastrocinque, die zijn doctoraat in de scheikunde behaalde. . in Therien’s laboratorium bij Duke.

Het effect is omkeerbaar, ontdekten ze. Door de nanobuis in een polymeer te wikkelen, veranderen de elektronische eigenschappen van een geleider in een halfgeleider. Maar als het nanobuisje wordt uitgepakt, keert het terug naar zijn oorspronkelijke metaalachtige staat.

De onderzoekers toonden ook aan dat ze door het veranderen van het type polymeer dat een nanobuisje omringt, nieuwe soorten halfgeleidende nanobuisjes konden ontwikkelen. Ze kunnen elektriciteit geleiden, maar alleen als de juiste hoeveelheid externe energie wordt toegepast.

“Deze methode biedt een subtiel nieuw hulpmiddel”, zei Therien. “Hiermee kun je een halfgeleider maken door het ontwerp.”

Praktische toepassingen van de methode zijn waarschijnlijk ver weg. “We zijn nog lang niet klaar met het maken van apparaten”, voegde Therien eraan toe.

Mastrocinque en zijn co-auteurs zeggen dat het werk belangrijk is omdat het een manier is om halfgeleiders te ontwerpen die elektriciteit kunnen geleiden wanneer ze worden geraakt door licht met bepaalde laagenergetische golflengten die gebruikelijk zijn maar onzichtbaar voor het menselijk oog.

In de toekomst zou het werk van het Duke-team bijvoorbeeld anderen kunnen helpen nanobuisjes te ontwikkelen die warmte detecteren die vrijkomt als infraroodstraling, om mensen of voertuigen te onthullen die verborgen zijn in de schaduw. Wanneer infrarood licht, zoals dat wordt uitgezonden door warmbloedige dieren, op een van deze nanobuis-polymeer-hybriden valt, zou dit een elektrisch signaal genereren.

Of neem zonnecellen: deze techniek zou kunnen worden gebruikt om halfgeleiders van nanobuisjes te maken die een breder bereik aan golflengten omzetten in elektriciteit, om zo meer zonne-energie te benutten.

Vanwege de spiraalvormige wikkel op het oppervlak van de nanobuis kunnen deze structuren ook ideale materialen zijn voor nieuwe vormen van computergebruik en gegevensopslag die naast hun lading ook de spins van elektronen gebruiken om informatie te verwerken en te transporteren.