p (Phys.org) - Transistores futuros feitos de nanotubos de carbono semicondutores de parede única (s-SWNTs) têm o potencial de funcionar muito melhor do que os transistores de hoje. Contudo, quando os SWNTs são cultivados em massa, apenas cerca de dois terços deles são semicondutores, enquanto o outro terço é metálico (m-SWNTs). Uma vez que os m-SWNTs têm uma condutividade mais alta do que os s-SWNTs, sua presença permite vazamento de corrente em um estado desligado do transistor, o que diminui muito a relação de corrente liga / desliga do transistor e o desempenho geral. Em um novo estudo, cientistas demonstraram que simplesmente decorar os m-SWNTs com nanopartículas de óxido de cobre pode convertê-los em s-SWNTs, resultando em um aumento de 205 vezes na razão de corrente liga / desliga de um transistor. p Os pesquisadores, Darya Asheghali, Pornnipa Vichchulada, e o Professor Associado Marcus D. Lay da Universidade da Geórgia em Atenas, publicaram seu artigo sobre a conversão de m-SWNTs em s-SWNTs em uma edição recente do Jornal da American Chemical Society .

p Estudos anteriores tentaram superar o problema dos m-SWNTs usando métodos que costumam ser complexos e caros. Algumas abordagens envolvem o uso de métodos de crescimento SWNT especializados que selecionam para s-SWNTs, enquanto outras abordagens envolvem o processamento de solução pós-crescimento para remover m-SWNTs.

p A abordagem proposta no novo estudo pode fornecer uma solução mais simples para obter grandes quantidades de s-SWNTs. Depois de cultivar os SWNTs usando um método convencional de crescimento em massa, os pesquisadores depositaram nanopartículas de óxido de cobre sub-10 nm em todos os nanotubos, ambos metálicos e semicondutores. Esta única etapa converte os m-SWNTs em s-SWNTs e também melhora as propriedades elétricas dos s-SWNTs originais.

p Quando os pesquisadores incorporaram esses s-SWNTs decorados em transistores, eles descobriram que as relações de corrente liga / desliga dos transistores aumentaram de cerca de 21 para 4300, representando uma melhoria de 205 vezes.

p A razão pela qual as nanopartículas têm esse efeito é a maneira como alteram os intervalos de banda dos SWNTs. Uma vez que um gap é a faixa de energia em um material onde os elétrons não podem existir, geralmente, uma grande lacuna de banda corresponde a baixa condutividade elétrica, e vice versa. Tipicamente, isoladores têm grandes lacunas de banda, semicondutores têm lacunas de banda menores, e os condutores têm lacunas de banda muito pequenas ou nenhuma.

p No estudo atual, os m-SWNTs originalmente não têm gap, tornando-os bons condutores. Embora a alta condutividade seja boa quando os transistores estão no estado ligado (quando os elétrons fluem), é um risco no estado desligado (onde os elétrons não fluem). Sendo altamente condutivo, os m-SWNTs vazam muita corrente no estado desligado.

p Como os pesquisadores demonstram aqui, as nanopartículas de óxido de cobre podem abrir um gap nos m-SWNTs, o que restringe o fluxo de corrente e reduz bastante a corrente de fuga quando o transistor está no estado desligado. Agora que os m-SWNTs têm uma lacuna de banda, eles são, por definição, s-SWNTs. As nanopartículas também aumentam as lacunas de banda dos s-SWNTs, o que melhora a uniformidade e a eficiência da corrente.

p Os pesquisadores explicam que as nanopartículas de óxido de cobre criam / aumentam esses intervalos de banda, retirando a densidade de elétrons dos SWNTs no ponto de contato. Num sentido, as nanopartículas agem como minúsculas válvulas ao longo de um fio que aumentam a sensibilidade dos SWNTs às tensões de porta em certos pontos, alterando a condutividade dos SWNTs em geral.

p Embora os pesquisadores descrevam o efeito como uma conversão de SWNTs metálicos em SWNTs semicondutores, eles também esclarecem que, quando se trata disso, m-SWNTs não são metais verdadeiros. Em vez de, eles devem ser considerados semimetais ou semicondutores de gap zero porque metais verdadeiros não podem ser tornados sensíveis à tensão da porta.

p O grafeno também se enquadra nesta categoria de semimetais. Contudo, é mais complicado abrir uma lacuna de banda no grafeno porque o grafeno é um material 2-D. Os pesquisadores explicam que a natureza 1-D dos SWNTs simplifica o processo de ajuste de intervalo de banda, permitindo que as nanopartículas atuem como válvulas em um fio e interrompam localmente o transporte de elétrons. Esta abordagem não pode ser transportada para o grafeno planar devido à sua geometria diferente.

p Este método relativamente simples de usar nanopartículas para converter m-SWNTs em s-SWNTs, e a melhoria significativa de desempenho que resulta, tem grande potencial para promover o desenvolvimento de transistores baseados em SWNT no futuro, bem como transportar para outras áreas.

p "A capacidade de abrir um bandgap em semicondutores baseados em grafite como SWNTs e grafeno terá aplicações em sensores e conversão de energia, "Lay disse Phys.org .

p Quanto aos transistores de efeito de campo SWNT (FETs), Lay explicou que outros desafios permanecem antes que possam se espalhar comercialmente.

p "O maior problema enfrentado pelos SWNT FETs é a escassez de métodos de purificação e formação de suspensão que separam os SWNTs de alta razão de aspecto necessários para aplicações estruturais e eletrônicas da fuligem e partículas de catalisador que compõem cerca de 50% das amostras SWNT com métodos comuns de crescimento em massa, "disse ele." Outro grande obstáculo é a falta de métodos de deposição que permitam o controle sobre a densidade e o alinhamento dos SWNTs. "

p Lay e seu grupo contribuíram significativamente para essas duas áreas em outro estudo recente ¹ . p © 2013 Phys.org. Todos os direitos reservados.