Por décadas, cientistas tentaram aproveitar as propriedades exclusivas dos nanotubos de carbono para criar eletrônicos de alto desempenho que são mais rápidos ou consomem menos energia, resultando em maior vida útil da bateria, comunicação sem fio mais rápida e velocidades de processamento mais rápidas para dispositivos como smartphones e laptops.

Mas uma série de desafios impediu o desenvolvimento de transistores de alto desempenho feitos de nanotubos de carbono, minúsculos cilindros feitos de carbono com apenas um átomo de espessura. Consequentemente, seu desempenho ficou muito aquém dos semicondutores como o silício e o arseneto de gálio usados ​​em chips de computador e eletrônicos pessoais.

Agora, pela primeira vez, Os engenheiros de materiais da Universidade de Wisconsin-Madison criaram transistores de nanotubos de carbono que superam os transistores de silício de última geração.

Liderado por Michael Arnold e Padma Gopalan, Professores de ciência e engenharia de materiais da UW-Madison, os transistores de nanotubos de carbono da equipe atingiram uma corrente 1,9 vezes maior do que os transistores de silício. Os pesquisadores relataram seu avanço em um artigo publicado na sexta-feira (2 de setembro) na revista. Avanços da Ciência .

“Essa conquista tem sido um sonho da nanotecnologia nos últimos 20 anos, "diz Arnold." Fazer transistores de nanotubos de carbono melhores do que os transistores de silício é um grande marco. Este avanço no desempenho do transistor de nanotubo de carbono é um avanço crítico para a exploração de nanotubos de carbono na lógica, comunicações de alta velocidade, e outras tecnologias de semicondutores eletrônicos. "

Esse avanço pode abrir caminho para que os transistores de nanotubos de carbono substituam os transistores de silício e continuem oferecendo os ganhos de desempenho com os quais a indústria de computadores depende e que os consumidores exigem. Os novos transistores são particularmente promissores para as tecnologias de comunicação sem fio que exigem muita corrente fluindo em uma área relativamente pequena.

Como alguns dos melhores condutores elétricos já descobertos, nanotubos de carbono há muito são reconhecidos como um material promissor para transistores de próxima geração.

Os transistores de nanotubos de carbono devem ser capazes de funcionar cinco vezes mais rápido ou usar cinco vezes menos energia do que os transistores de silício, de acordo com extrapolações de medições de nanotubo único. A dimensão ultrapequena do nanotubo torna possível alterar rapidamente um sinal de corrente que viaja através dele, o que pode levar a ganhos substanciais na largura de banda dos dispositivos de comunicação sem fio.

Mas os pesquisadores têm lutado para isolar nanotubos puramente de carbono, que são cruciais, porque as impurezas de nanotubos metálicos agem como fios de cobre e interrompem suas propriedades semicondutoras - como um curto em um dispositivo eletrônico.

A equipe UW-Madison usou polímeros para separar seletivamente os nanotubos semicondutores, alcançar uma solução de nanotubos de carbono semicondutores de ultra-alta pureza.

"Identificamos condições específicas nas quais você pode se livrar de quase todos os nanotubos metálicos, onde temos menos de 0,01 por cento de nanotubos metálicos, "diz Arnold.

A colocação e o alinhamento dos nanotubos também são difíceis de controlar.

Para fazer um bom transistor, os nanotubos precisam ser alinhados na ordem certa, com apenas o espaçamento certo, quando montado em um wafer. Em 2014, os pesquisadores da UW-Madison superaram esse desafio quando anunciaram uma técnica, chamado de "auto-montagem evaporativa flutuante, "que lhes dá esse controle.

Os nanotubos devem fazer bons contatos elétricos com os eletrodos de metal do transistor. Como o polímero que os pesquisadores da UW-Madison usam para isolar os nanotubos semicondutores também age como uma camada isolante entre os nanotubos e os eletrodos, a equipe "cozinhou" os arranjos de nanotubos em um forno a vácuo para remover a camada isolante. Resultado:excelentes contatos elétricos com os nanotubos.

Os pesquisadores também desenvolveram um tratamento que remove resíduos dos nanotubos após serem processados ​​em solução.

"Em nossa pesquisa, mostramos que podemos superar simultaneamente todos esses desafios de trabalhar com nanotubos, e isso nos permitiu criar esses transistores de nanotubos de carbono que ultrapassam os transistores de silício e arseneto de gálio, "diz Arnold.

Os pesquisadores compararam seu transistor de nanotubo de carbono com um transistor de silício do mesmo tamanho, geometria e corrente de fuga para fazer uma comparação comparativa.

Eles continuam a trabalhar na adaptação de seu dispositivo para coincidir com a geometria usada em transistores de silício, que ficam menores a cada nova geração. O trabalho também está em andamento para desenvolver amplificadores de freqüência de rádio de alto desempenho que podem ser capazes de aumentar o sinal de um telefone celular. Embora os pesquisadores já tenham escalado seu processo de alinhamento e deposição para wafers de 1 polegada por 1 polegada, eles estão trabalhando na ampliação do processo para a produção comercial.

Arnold diz que é emocionante finalmente chegar ao ponto em que os pesquisadores podem explorar os nanotubos para obter ganhos de desempenho em tecnologias reais.

"Tem havido muito hype sobre os nanotubos de carbono que não foi realizado, e isso meio que azedou a visão de muitas pessoas, "diz ele." Mas achamos que o hype é merecido. Foram necessárias décadas de trabalho para que a ciência dos materiais se atualizasse e nos permitisse controlar esses materiais de maneira eficaz. "

Os pesquisadores patentearam sua tecnologia por meio da Wisconsin Alumni Research Foundation.