Eine Designeransicht einer einwandigen intramolekularen Kohlenstoffnanoröhre mit metallischen Abschnitten am linken und rechten Ende und einem ultrakurzen Halbleiterkanal mit ~3,0 nm dazwischen. Kredit: Nationale Universität für Wissenschaft und Technologie, Moskau
Ein internationales Forscherteam hat ein einzigartiges Werkzeug verwendet, das in ein Elektronenmikroskop eingesetzt wird, um einen Transistor herzustellen, der 25.000 Mal kleiner ist als die Breite eines menschlichen Haares.
Die in der Zeitschrift Science veröffentlichte Forschung umfasst Forscher aus Japan, China, Russland und Australien, die an dem vor fünf Jahren begonnenen Projekt mitgewirkt haben.
Professor Dmitri Golberg, Co-Direktor des QUT Center for Materials Science, der das Forschungsprojekt leitete, sagte, das Ergebnis sei eine „sehr interessante grundlegende Entdeckung“, die einen Weg für die zukünftige Entwicklung winziger Transistoren für zukünftige Generationen fortschrittlicher Computergeräte ebnen könnte.
Professor Dmitri Golberg leitete ein Team, das mit einem einzigartigen Werkzeug, das in ein Elektronenmikroskop eingeführt wurde, einen Transistor herstellte, der 25.000 kleiner ist als die Breite eines menschlichen Haares. Bildnachweis: QUT
„In dieser Arbeit haben wir gezeigt, dass es möglich ist, die elektronischen Eigenschaften einer einzelnen Kohlenstoffnanoröhre zu kontrollieren“, sagt Professor Golberg.
Die Forscher stellten den winzigen Transistor her, indem sie gleichzeitig eine Kraft und eine niedrige Spannung anlegten, die eine aus wenigen Schichten bestehende Kohlenstoffnanoröhre erhitzten, bis sich die äußeren Röhrenschalen trennen und nur noch eine einlagige Nanoröhre übrigbleibt.
Die Hitze und Belastung veränderten dann die „Chilarität“ der Nanoröhre, d. h. das Muster, in dem sich die Kohlenstoffatome zu einer einatomigen Schicht der Nanoröhrenwand zusammenschlossen, wurde neu angeordnet.
Das Ergebnis der neuen Struktur, die die Kohlenstoffatome verbindet, war, dass sich die Nanoröhre in einen Transistor verwandelte.
Die Teammitglieder von Professor Golberg von der National University of Science and Technology in Moskau haben eine Theorie entwickelt, die die Veränderungen der Atomstruktur und der Eigenschaften des Transistors erklärt.
Der Hauptautor Dr. Dai-Ming Tang vom International Center for Materials Nanoarchitectonics in Japan sagte, die Forschung habe die Fähigkeit gezeigt, die molekularen Eigenschaften der Nanoröhre zu manipulieren, um elektrische Geräte im Nanomaßstab herzustellen.
Dr. Tang begann seine Arbeit an dem Projekt vor fünf Jahren, als Professor Golberg die Forschungsgruppe an diesem Zentrum leitete.
„Halbleitende Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind vielversprechend für die Herstellung energieeffizienter Nanotransistoren, um Mikroprozessoren jenseits von Silizium zu bauen“, sagte Dr. Tang.
„Es bleibt jedoch eine große Herausforderung, die Chiralität einzelner Kohlenstoffnanoröhren zu kontrollieren, die die Atomgeometrie und elektronische Struktur auf einzigartige Weise bestimmt.
„In dieser Arbeit haben wir intramolekulare Transistoren aus Kohlenstoffnanoröhren entworfen und hergestellt, indem wir die lokale Chiralität eines metallischen Nanoröhrensegments durch Erhitzen und mechanische Belastung verändert haben.“
Professor Golberg sagte, die Forschung zur Demonstration der grundlegenden Wissenschaft bei der Herstellung des winzigen Transistors sei ein vielversprechender Schritt zum Bau von Mikroprozessoren jenseits des Siliziums.
Transistoren, die zum Schalten und Verstärken elektronischer Signale verwendet werden, werden oft als „Bausteine“ aller elektronischen Geräte, einschließlich Computer, bezeichnet. Apple sagt zum Beispiel, dass der Chip, der die zukünftigen iPhones antreibt, 15 Milliarden Transistoren enthält.
Die Computerindustrie konzentriert sich seit Jahrzehnten auf die Entwicklung immer kleinerer Transistoren, sieht sich jedoch den Grenzen von Silizium gegenüber.
Forscher haben in den letzten Jahren bedeutende Fortschritte bei der Entwicklung von Nanotransistoren gemacht, die so klein sind, dass Millionen von ihnen auf einen Stecknadelkopf passen könnten.
„Die Miniaturisierung von Transistoren bis in den Nanometerbereich ist eine große Herausforderung für die moderne Halbleiterindustrie und Nanotechnologie“, sagte Professor Golberg.
„Die vorliegende Entdeckung, obwohl sie für eine Massenproduktion winziger Transistoren nicht praktikabel ist, zeigt ein neues Herstellungsprinzip und eröffnet einen neuen Horizont bei der Verwendung thermomechanischer Behandlungen von Nanoröhren, um kleinste Transistoren mit den gewünschten Eigenschaften zu erhalten.“
Referenz: „Halbleiter-Nanokanäle in metallischen Kohlenstoff-Nanoröhrchen durch thermomechanische Chiralitätsänderung“ von 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 und Dmitri Golberg, 23. Dezember 2021, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.abi8884