Внутримолекулярный транзистор на основе одностенных УНТ

Обновлено: 8 сент.

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)

8 просмотров