Группа ученых из США провела первые масштабные исследования того, как изменения диаметра и локальной плотности однослойных углеродных нанотрубок влияют на производительность транзисторов, построенных из массивов этих нанообъектов. Полученные ими результаты показывают, что производительность во многом зависит от того, как нанотрубки с различными диаметрами распределены по массиву. По мнению ученых, исследования могут привести к улучшению характеристик транзисторов за счет развития процессов выращивания и очистки нанотрубок и их массивов.

Лучший и, вероятно, единственный способ интеграции углеродных нанотрубок в высокопроизводительные транзисторы – использование горизонтальных массивов этих нанообъектов. Хотя сегодня существуют технологии выращивания подобных массивов уже в нужной конфигурации, почти идеально совпадающей с желаемой, до сих пор не было разработано должных способов контроля диаметра и плотности нанотрубок в массиве. Более того, было неизвестно, каким образом эти характеристики могут влиять на производительность устройств.

Этот пробел в знаниях восполнила научная группа из University of Illinois (США), представившая свой отчет об экспериментальном изучении того, как изменения плотности нанотрубок в массиве влияют на производительность устройств, построенных на базе таких массивов. Подробные результаты их работы были опубликованы в журнале Applied Physics.

Одностенные углеродные нанотрубки представляют собой слои углерода толщиной всего в один атом, свернутые в цилиндрическую трубку диаметром около 1 нм. Атомы в углеродном слое образуют гексагональную кристаллическую решетку, как в графене. При этом относительная ориентация решетки и оси нанотрубки определяет ее электронные свойства. Таким образом, нанотрубки могут проявлять, как полупроводниковые, так и металлические свойства.

За счет чрезвычайно высокой площади поверхности и способности хорошо переносить заряд, массивы таких одностенных углеродных нанотрубок идеально подходят для использования в качестве конструктивного элемента высокопроизводительных датчиков и транзисторов. Но подобные массивы содержат в себе смесь металлических и полупроводниковых нанотрубок с различными диаметрами и локальной плотностью (т.е. количеством нанотрубок на единицу площади перпендикулярной поверхности). Вариация этих характеристик приводит к изменениям электронных свойств всего массива, которые достаточно трудно контролировать. Ведь контроль подразумевает возможность детально изучить структуру массива и найти, где действительно наблюдается неоднородность. А это достаточно сложная задача.

Работы, проделанные группой американских ученых, на самом деле сочетают в себе теорию и практику. Ученые изучали поведение как устройств, построенных на базе одной нанотрубке, так и тех, что построены на массиве нанотрубок, имеющем различное количество этих нанообъектов в разных областях кварцевой подложки.

В процессе работы исследователи применяли теоретические модели, откалиброванные по устройствам на базе одной нанотрубки, чтобы предсказывать поведение устройств на основе массивов нанотрубок. Далее они измеряли, как различные рабочие параметры (пороговое напряжение и т.п.) варьируются, в зависимости от типов и характеристик устройства. Отклонения от теоретических значений для этих параметров указывали на существенные различия в плотности нанотрубок и/или их диаметре во всем массиве. А для контроля полученных данных на отдельных участках массива применялся атомно-силовой микроскоп.

На следующем этапе работы ученые планируют использовать полученные знания, чтобы разработать новые способы очистки массивов нанотрубок, что позволит уменьшить вариации плотности и диаметра до того уровня, который обеспечит создание транзисторов, способных пройти промышленную сертификацию.