Bon nanotubes. Crédito:Swansea University
Os nanotubos de carbono destinados à eletrônica não precisam apenas ser tão limpos quanto possível para maximizar sua utilidade em dispositivos em nanoescala de próxima geração, mas os efeitos de contato podem limitar o quão pequeno um nano dispositivo pode ser, de acordo com pesquisadores do Energy Safety Research Institute (ESRI) da Swansea University em colaboração com pesquisadores da Rice University.
Diretor da ESRI, Andrew Barron, também professor da Rice University nos EUA, e sua equipe descobriu como deixar os nanotubos limpos o suficiente para obter medições eletrônicas reproduzíveis e, no processo, não apenas explicou por que as propriedades elétricas dos nanotubos têm sido historicamente tão difíceis de medir de forma consistente, mas mostraram que pode haver um limite de como os dispositivos eletrônicos "nano" do futuro podem usar nanotubos de carbono.
Como qualquer fio normal, nanotubos semicondutores são progressivamente mais resistentes à corrente ao longo de seu comprimento. Mas as medições de condutividade dos nanotubos ao longo dos anos têm sido tudo menos consistentes. A equipe da ESRI queria saber por quê.
"Estamos interessados na criação de condutores baseados em nanotubos, e embora as pessoas tenham conseguido fazer fios, sua condução não atendeu às expectativas. Estávamos interessados em determinar o projeto básico por trás da variabilidade observada por outros pesquisadores. "
Eles descobriram que contaminantes difíceis de remover - sobras de catalisador de ferro, carbono e água - podem facilmente distorcer os resultados dos testes de condutividade. Queimando-os, Barron disse, cria novas possibilidades para nanotubos de carbono em eletrônica em nanoescala.
O novo estudo foi publicado na revista American Chemical Society Nano Letras .
Os pesquisadores primeiro fizeram nanotubos de carbono com paredes múltiplas entre 40 e 200 nanômetros de diâmetro e até 30 mícrons de comprimento. Eles então aqueciam os nanotubos no vácuo ou os bombardeavam com íons de argônio para limpar suas superfícies.
Eles testaram nanotubos individuais da mesma forma que qualquer um testaria qualquer condutor elétrico:tocando-os com duas sondas para ver quanta corrente passa pelo material de uma ponta a outra. Nesse caso, suas sondas de tungstênio foram acopladas a um microscópio de tunelamento de varredura.
Em nanotubos limpos, a resistência ficou cada vez mais forte à medida que a distância aumentava, Como deveria. Mas os resultados foram distorcidos quando as sondas encontraram contaminantes de superfície, que aumentou a intensidade do campo elétrico na ponta. E quando as medições foram feitas dentro de 4 mícrons uma da outra, regiões de condutividade esgotada causada por contaminantes sobrepostos, confundindo ainda mais os resultados.
"Achamos que é por isso que há tanta inconsistência na literatura, "Barron disse.
Cientistas das universidades Rice e Swansea usaram sondas de tungstênio ligadas a um microscópio de tunelamento para testar a condutividade dos nanotubos de carbono antes e depois do tratamento para descontaminá-los. A sequência acima mostra uma sonda no final e a outra se movendo ao longo do comprimento de um nanotubo isolado. Crédito:Barron Research Group / Rice University
"Se os nanotubos forem o condutor leve da próxima geração, em seguida, resultados consistentes, lote para lote, e amostra a amostra, é necessário para dispositivos como motores e geradores, bem como sistemas de energia. "
O recozimento dos nanotubos em um vácuo acima de 200 graus Celsius (392 graus Fahrenheit) reduziu a contaminação da superfície, mas não o suficiente para eliminar resultados inconsistentes, eles encontraram. O bombardeio de íon argônio também limpou os tubos, mas levou a um aumento nos defeitos que degradam a condutividade.
Por fim, eles descobriram que os nanotubos de recozimento a vácuo a 500 graus Celsius (932 Fahrenheit) reduziram a contaminação o suficiente para medir com precisão a resistência, eles relataram.
Para agora, Barron disse, engenheiros que usam fibras ou filmes de nanotubos em dispositivos modificam o material por meio de dopagem ou outros meios para obter as propriedades condutoras de que necessitam. Mas se os nanotubos de origem forem suficientemente descontaminados, eles devem ser capazes de obter a condutividade certa simplesmente colocando seus contatos no lugar certo.
"Um resultado importante de nosso trabalho foi que, se os contatos em um nanotubo estiverem separados por menos de 1 mícron, as propriedades eletrônicas do nanotubo mudam de condutor para semicondutor, devido à presença de zonas de depleção sobrepostas ", disse Barron, "Isso tem um potencial fator de limitação no tamanho dos dispositivos eletrônicos baseados em nanotubos - isso limitaria a aplicação da lei de Moore aos dispositivos de nanotubos."
