Внутримолекулярный транзистор на основе одностенных УНТ

Хиральность или спиральность структуры одностенных углеродных нанотрубок (ОУНТ) определяет является ли нанотрубка металлом или полупроводником, причём изменение лишь одного «индекса хиральности» полностью меняет свойства нанотрубки. Проводящие УНТ могут применяться в энергоэффективных нанотранзисторах, и поэтому являются перспективным материалом для замены широко используемого кремния в микропроцессорах нового поколения.

Несмотря на стремительное развитие технологий процесс разделения УНТ по свойствам и геометрическим параметрам все еще остается нерешенной проблемой. Молекулярные соединения между металлическими и полупроводниковыми нанотрубками также могут быть использованы в качестве основы наноразмерных электронных устройств.

Существуют экспериментальные работы, в которых описывается изменение хиральности УНТ путем пластической деформации, однако такие преобразования, как и дальнейшие изменения электрических свойств, не поддаются никакому контролю и скорее рассматриваются как случайные.

Результатами данного исследования является создание внутримолекулярного транзистора на основе одностенных углеродных нанотрубок. Применение сильного нагрева и механических деформаций в контролируемом режиме позволило локально изменять хиральность отдельных УНТ внутри просвечивающего электронного микроскопа. Растяжение нагретой металлической УНТ приводило к изменению хиральности сегмента УНТ, который становился полупроводником, создавая таким образом внутримолекулярный нанотрубный транзистор. Длина канала транзистора составляла всего 2,8 нм. В полученных транзисторах наблюдалась когерентная квантовая интерференция электронов при комнатной температуре, означающая возникновение энергетических барьеров в местах контакта металлической и полупроводниковой УНТ. Наблюдаемые эффекты являются аналогом интерференции на атомарном уровне, а полученное устройство – квантовым интерферометром Фабри–Перо.

Результаты работы свидетельствуют о перспективах контролированного изменения хиральности одностенных углеродных нанотрубок, что решает самую главную проблему этого наноматериала и приближает практическое применение данных наноструктур для создания уникальных нанотранзисторов и, впоследствии процессоров нового поколения без использования кремния.

Рисунок 1 – Модель внутримолекулярного транзистора (a), изображение ОУНТ с измененной хиральностью (b), результаты теоретического моделирования, демонстрирующие интерференцию электронного волнового фронта (c)

 

Результаты исследования опубликованы в журнале Science (https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8884)


Dai-Ming Tang, Sergey V. Erohin, Dmitry G. Kvashnin, Victor A. Demin, Ovidiu Cretu, Song Jiang, Lili Zhang, Peng-Xiang Hou, Guohai Chen, Don N. Futaba, Yongjia Zheng, Rong Xiang, Xin Zhou, Feng-Chun Hsia, Naoyuki Kawamoto, Masanori Mitome, Yoshihiro Nemoto, Fumihiko Uesugi, Masaki Takeguchi, Shigeo Maruyama, Hui-Ming Cheng, Yoshio Bando, Chang Liu, Pavel B. Sorokin, Dmitri Golberg, Semiconductor nanochannels in metallic carbon nanotubes by thermomechanical chirality alteration, Science, 374 (6575), 1616-1620 (2021)

5 просмотров