Uutiset

Yksittäisistä hiilinanoputkista transistoreja tehokkaammin – uusi valmistusmenetelmä parantaa myös transistorin toimintanopeutta

Julkaistu: 21.11.2019

Hiilinanoputkista valmistettuja transistoreita voidaan käyttää muun muassa puhelimien näytöissä joustavuuden ja iskunkestävyyden parantamiseksi.

Nanotube transistors on a chip being tested electically — Tuhat nanoputkitransistoria sisältävän sirun testaus. Kuva: Aalto-yliopisto.

Hiilinanoputket ovat yhden atomikerroksen paksuisia grafeeniliuskoja, jotka rullataan saumattomasti eri kokoisiksi ja muotoisiksi putkiksi. Yksiseinäisillä hiilinanoputkilla on useita käyttötarkoituksia elektroniikassa ja uusissa kosketusnäyttölaitteissa, kuten puhelinten näyttöjen läpinäkyvissä transistoreissa.

Aalto-yliopiston ja japanilaisen Nagoyan yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden tavan valmistaa transistoreja ultrapuhtaista hiilinanoputkista, joiden puolijohtavat ominaisuudet ovat erinomaiset. Uusi menetelmä helpottaa nanoputkien materiaaliominaisuuksien testaamista ja käyttöä kaupallisissa tuotteissa.

Professori Esko Kauppisen tutkimusryhmällä on vuosien kokemus hiilinanoputkien valmistuksesta elektroniikkasovelluksia varten. Ryhmän kehittämän ainutlaatuisen aerosolipohjaisen menetelmän avulla tutkijat voivat hallita nanoputkirakennetta suoraan ja tarkasti.

Yksittäisten hiilinanoputkitransistorien valmistus on tavallisesti vaivalloista. Valmistusprosessi hiilinanoputkien raaka-aineesta transistoreiksi kestää usein päiviä, ja prosessikemikaalit saastuttavat laitteet, jolloin niiden suorituskyky heikkenee. Uusi menetelmä mahdollistaa kuitenkin satojen yksittäisten hiilinanoputkilaitteiden valmistamisen kolmessa tunnissa. Tehokkuus paranee yli kymmenkertaiseksi.

electron microscope image of nanotubes in a transistor — Elektronimikroskooppikuva yhdestä sirun tuhannesta transistorilaitteesta. Valkoinen viiva elektrodien välissä on testattavana oleva yksittäinen hiilinanoputki. Kuva: Aalto-yliopisto.

Näiden laitteiden pinnalla ei myöskään ole niiden suorituskykyä heikentäviä prosessikemikaaleja. Tällaisia ultrapuhtaita laitteita on aiemmin ollut vielä vaikeampi valmistaa kuin tavallisia yksittäisiä hiilinanoputkitransistoreita.

”Puhtaiden laitteiden avulla voimme mitata materiaalien luontaisia ominaisuuksia. Laitteiden suuren määrän vuoksi saamme kattavamman käsityksen nanomateriaaleista kapean datamäärän sijasta”, kertoo tutkijatohtori Nan Wei.

Tutkimus osoittaa, että aerosolipohjaisten nanoputkien ominaisuudet ovat erinomaiset. Niiden sähkönjohtavuus on lähes niin hyvä kuin yksiseinäisten hiilinanoputkien kohdalla on teoreettisesti mahdollista.

Uusi menetelmä voi myös edistää soveltavaa tutkimusta. Tutkijat voivat esimerkiksi löytää keinoja parantaa sähköä johtavien joustavien kalvojen suorituskykyä tutkimalla yksiseinäisten hiilinanoputkien nipuista muodostuvien transistorien johtavuutta. Tästä saattaa olla hyötyä suunnittelijoille, jotka yrittävät valmistaa joustavia ja iskunkestäviä puhelimia.

Japanissa ja Suomessa toimivat työryhmät ovat jo aloittaneet jatkotutkimuksen.

Artikkeli julkaistiin Advanced Functional Materials –julkaisussa marraskuussa 2019.