p Pesquisadores da Universidade do Texas em Austin e da Northwestern University demonstraram um novo método para melhorar a confiabilidade e o desempenho de transistores e circuitos baseados em nanotubos de carbono (CNT), um material semicondutor que há muito é considerado pelos cientistas como um dos sucessores mais promissores do silício para pequenas, dispositivos eletrônicos mais rápidos e baratos. O resultado aparece em um novo artigo publicado na revista. Cartas de Física Aplicada , da AIP Publishing. p No papel, pesquisadores examinaram o efeito de um revestimento de fluoropolímero chamado PVDF-TrFE em transistores de nanotubo de carbono de parede única (SWCNT) e circuitos osciladores de anel, e demonstraram que esses revestimentos podem melhorar substancialmente o desempenho de dispositivos de nanotubos de carbono de parede única. PVDF-TrFE também é conhecido por seu longo nome químico poliviniledenodifluoreto-tetrafluoroetileno.

p "Atribuímos as melhorias à natureza polar do PVDF-TrFE que atenua o efeito negativo de impurezas e defeitos no desempenho de nanotubos de carbono de parede simples semicondutores, "disse Ananth Dodabalapur, um professor da Escola de Engenharia Cockrell da UT Austin que liderou a pesquisa. "O uso de camadas de cobertura [PVDF-TrFE] será muito benéfico para a adoção de circuitos de nanotubos de carbono de parede única em eletrônicos impressos e aplicações de display flexível."

p O trabalho foi realizado em colaboração entre o grupo de Dodabalapur na UT Austin e o grupo de Mark Hersam na Northwestern University como parte de uma Multi-University Research Initiative (MURI) apoiada pelo Office of Naval Research.

p Um potencial sucessor para os chips de silício

p Nanotubos de carbono de parede única (SWCNT) são os tubos mais finos que podem ser feitos na natureza. Eles são cilindros formados pelo enrolamento de um material conhecido como grafeno, que é um apartamento, camada de grafite de carbono com um átomo de espessura. A maioria dos nanotubos de carbono de parede única normalmente tem um diâmetro próximo a 1 nanômetro e podem ser torcidos, achatado e dobrado em pequenos círculos ou em torno de curvas acentuadas sem quebrar. Esses filamentos de carbono ultrafinos têm alta mobilidade, alta transparência e condutividade elétrica, tornando-os ideais para realizar tarefas eletrônicas e fazer dispositivos eletrônicos flexíveis, como transistores de película fina, os interruptores on-off no coração dos sistemas eletrônicos digitais.

p "Os transistores de efeito de campo (FETs) de nanotubo de carbono de parede única têm características semelhantes aos FETs de silício policristalino, um transistor de silício de filme fino usado atualmente para conduzir os pixels em telas emissoras de luz orgânica (OLED), "disse Mark Hersam, Colega de trabalho de Dodabalapur e professor da Escola McCormick de Engenharia e Ciências Aplicadas da Northwestern University. "Mas os nanotubos de carbono de parede única são mais vantajosos do que o silício policristalino porque são processáveis ​​em solução ou imprimíveis, o que potencialmente poderia reduzir os custos de fabricação. "

p A flexibilidade mecânica dos nanotubos de carbono de parede única também deve permitir que eles sejam incorporados em aplicações emergentes, como eletrônicos flexíveis e eletrônicos vestíveis, ele disse.

p Por anos, cientistas têm experimentado dispositivos de nanotubos de carbono como sucessores dos dispositivos de silício, já que o silício pode em breve atingir seu limite físico, entregando cada vez menos, dispositivos eletrônicos mais rápidos e baratos. Embora os circuitos feitos com nanotubos de carbono de parede única devam ser mais eficientes em termos de energia do que os de silício no futuro, suas desvantagens em transistores de efeito de campo, como dissipação de alta potência e menos estabilidade, atualmente limitam suas aplicações em eletrônica impressa, de acordo com Dodabalapur.

p Uma nova técnica para melhorar o desempenho dos dispositivos SWCNTs

p Para superar as desvantagens dos transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono de parede única e melhorar seu desempenho, os pesquisadores depositaram PVDF-TrFE no topo de transistores de nanotubo de carbono de parede única autofabricados por impressão a jato de tinta, de baixo custo, processo de deposição baseado em solução com boa resolução espacial. A película revestida com fluoropolímero foi então recozida ou aquecida ao ar a 140 graus Celsius durante três minutos. Mais tarde, os pesquisadores observaram as diferenças nas características do dispositivo.

p "Encontramos melhorias substanciais de desempenho com o nanotubo de carbono de parede única revestido com fluoropolímero tanto no nível do dispositivo quanto no nível do circuito, "Dodabalapur anotou.

p No nível do dispositivo, diminuições significativas ocorrem em parâmetros-chave, como magnitude de corrente fora de série, grau de histerese, variação na tensão de limiar e degradação do estresse de polarização, que, Dodabalapur disse, significa um tipo de energia mais eficiente, transistores estáveis ​​e uniformes com maior vida útil.

p No nível do circuito, uma vez que um transistor é o componente mais básico em circuitos digitais, a uniformidade melhorada nas características do dispositivo, mais os efeitos benéficos de transistores individuais eventualmente resultam em melhor desempenho de um circuito oscilador de anel complementar de cinco estágios, um dos circuitos digitais mais simples.

p "A frequência e amplitude de oscilação [do circuito oscilador de anel de nanotubo de carbono de parede única] aumentaram 42 por cento e 250 por cento, respectivamente, "disse Dodabalapur. Os parâmetros indicam um circuito mais rápido e de melhor desempenho com consumo de energia possivelmente reduzido.

p Dodabalapur e seus colegas de trabalho atribuíram as melhorias à natureza polar do PVDF-TrFE.

p "Antes dos transistores de efeito de campo de nanotubo de carbono de parede única serem fabricados por impressão a jato de tinta, eles foram dispersos em um solvente orgânico para fazer uma tinta imprimível. Após o processo de fabricação, pode haver resíduos de produtos químicos deixados [no dispositivo], causando concentração de impureza de fundo, "Dodabalapur explicou." Essas impurezas podem agir como defeitos carregados que prendem os portadores de carga em semicondutores e reduzem a mobilidade dos portadores, que eventualmente pode deteriorar o desempenho dos transistores. "

p PVDF-TrFE é uma molécula polar cujas cargas negativas e positivas são separadas em diferentes extremidades da molécula, Dodabalapur disse. As duas extremidades carregadas formam uma ligação elétrica, ou dipolo, entre. Após o processo de recozimento, os dipolos em moléculas de PVDF-TrFE adotam uniformemente uma orientação estável que tende a cancelar os efeitos das impurezas carregadas em transistores de efeito de campo de nanotubo de carbono de parede única, que facilitou o fluxo de portadores no semicondutor e melhorou o desempenho do dispositivo.

p Para confirmar sua hipótese, Dodabalapur e seus colegas de trabalho realizaram experimentos comparando os efeitos de vapores polares e não polares em transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono de parede única. Os resultados apóiam sua suposição.

p O próximo passo, Dodabalapur disse, é implementar circuitos mais complexos com transistores de efeito de campo de nanotubos de carbono de parede única.