Νέα τρανζίστορ από νανοσωλήνες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υπολογιστές

Πηγή: PhysOrg, 15 Αυγούστου 2005

Ερευνητές στα πανεπιστήμια της Καλιφόρνιας καθώς και στο Clemson έχουν ανακαλύψει ότι οι ειδικές δομές νανοσωλήνων από άνθρακα παρουσιάζουν ηλεκτρονικές ιδιότητες πολύ καλύτερες από τα συμβατικά τρανζίστορ που χρησιμοποιούνται στους υπολογιστές. Σε ένα άρθρο που δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature Materials οι καθηγητές Prabhakar Bandaru και Sungho Jin, ο μεταπτυχιακός σπουδαστής Chiara Daraio, και ο φυσικός Apparao Μ. Rao ανέφεραν ότι οι νανοσωλήνες - που έχουν σχήμα Υ - συμπεριφέρονται ως ηλεκτρονικοί διακόπτες παρόμοιοι με τα συμβατικά τρανζίστορ MOS (ημιαγωγοί μεταλλικών οξειδίων), τα οποία κάνουν όλη τη δουλειά στους σύγχρονους μικροεπεξεργαστές, στην ψηφιακή μνήμη, και στα ολοκληρωμένα κυκλώματα.

"Είναι η πρώτη φορά που έχει κατασκευαστεί μια δομή παρόμοια με του τρανζίστορ χρησιμοποιώντας έναν διακλαδισμένο νανοσωλήνα από άνθρακα", λέει ο Bandaru. "Η ανακάλυψη αντιπροσωπεύει έναν νέο τρόπο κατασκευής νανο-ηλεκτρονικών συσκευών, και πολλοί που ενδιαφέρονται για τη δημιουργία συσκευών σε νανοκλίμακα θα εμπνευστούν από αυτήν, για να ερευνήσουν τις διακλαδώσεις αυτών των Υ-στοιχείων με λεπτομέρεια".

Το κλασσικό τρανζίστορ που ανακαλύφθηκε τη δεκαετία του '50. Δεξιά διακρίνεται η πύλη.

Η τρομακτική αύξηση στην αποδοτικότητα τόσο στην ταχύτητα όσο και στην ισχύ της ηλεκτρονικής κατά τη διάρκεια των προηγούμενων 20 χρόνων οφειλόταν πρώτιστα στη σταθερή μείωση του μεγέθους των συμβατικών τρανζίστορ. Οι κατασκευαστές των τσιπ μείωσαν στο ελάχιστο το μέγεθος των τρανζίστορ σε, περίπου, 100 nm, και αυτή η διάσταση αναμένεται να μειωθεί μέχρι το τέλος αυτής της δεκαετίας. Εντούτοις, οι εμπειρογνώμονες της βιομηχανίας προβλέπουν ότι τα θεμελιώδη τεχνολογικά και οικονομικά όρια του πυριτίου θα αποτρέψουν τους κατασκευαστές των συμβατικών τρανζίστορ MOS να μειώσουν  κι άλλο το μέγεθός τους. Οι νανοσωλήνες σε σχήμα Υ έχει πάχος μόνο μερικές δεκάδες νανομέτρα και μπορεί να κατασκευαστεί τόσο λεπτή όσο μερικά nm.

"Το μικρό μέγεθος και η συμπεριφορά αυτών των νανοσωλήνων τα κάνουν υποψηφίους για μια νέα κατηγορία τρανζίστορ", τονίζει ο Bandaru.

Τα νέα τρανζίστορ αρχικά αναπτύχθηκαν αρχικά σε μια ευθεία γραμμή στοιχείων νανοσωλήνων. Όταν όμως προστέθηκε ένας ειδικός καταλύτης στο μίγμα (από τιτάνιο και σίδηρο), τότε δημιουργήθηκε μια διακλάδωση όπως βγαίνει από ένα κορμό του δέντρου. Τελικά οι δημιουργούμενοι νανοσωλήνες έμοιαζαν με το σχήμα Υ και με το μόριο του καταλύτη να απορροφάται βαθμιαία στη σύνδεση του μίσχου και των δύο κλάδων.

Όταν οι ηλεκτρικές επαφές συνδέονται με τις δομές των νανοσωλήνων, τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν σε έναν βραχίονα του Υ, πηδώντας πάνω στο μόριο του καταλύτη, και έπειτα πηδώντας στον άλλο βραχίονα ενώ ρέουν εξωτερικά.

Τα πειράματα που πραγματοποιήθηκαν στο εργαστήριο του Bandaru έδειξαν ότι η μετακίνηση των ηλεκτρονίων μέσω της σύνδεσης Υ μπορεί να ελεγχθεί λεπτομερώς, ή ελεγχόμενο μέσω πύλης (gated), με την εφαρμογή μιας τάσης στον μίσχο. Ο Bandaru υπέθεσε ότι το θετικό φορτίο που εφαρμόζεται στο μίσχο ενισχύει τη ροή των ηλεκτρονίων μέσω των δύο βραχιόνων, παράγοντας έτσι ένα ισχυρό "on" στο σήμα. Κατόπιν, όταν αντιστρέφεται η πολικότητα του φορτίου, η μετακίνηση των ηλεκτρονίων μέσω των βραχιόνων βασικά σταματά, δημιουργώντας ένα σήμα "off". Μια τέτοια δυαδική λογική είναι η βάση σχεδόν όλων των τρανζίστορ.

Δηλαδή στα πειράματα που έγιναν έδειξαν ότι η εφαρμογή τάσης στον ένα κλάδο (βραχίονα) ελέγχει το κατά πόσο θα διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα από τους άλλους δύο κλάδους.

"Μεταξύ των ηλεκτρονικών συσκευών, αυτό το φαινόμενο ονομάζεται έλεγχος μέσω πύλης", εξηγεί ο Bandaru. Ενώ, συνέχισε, το φαινόμενο αυτό κάνει τους Υ διαμορφωμένους νανοσωλήνες το μικρότερο κατακευασθέντα τρανζίστορ, με γρήγορες ταχύτητες μετατροπής. Στις προηγούμενες προσπάθειες να κατασκευαστούν τρανζίστορ βασισμένα σε νανοσωλήνες προστέθηκαν ξεχωριστές πύλες, και δεν ήταν κατασκευασμένες από την αρχή στο εσωτερικό.

Και συνεχίζει ο Bandaru. "Μπορούμε να περιλάβουμε στην νανοκλίμακα τα τρία στοιχεία ενός κυκλώματος - την πύλη, την πηγή, και τον απαγωγό - και δεν είναι απαραίτητο να τα κατασκευάσουμε ξεχωριστά και να τα  συγκεντρώσουμε μετά μαζί. Θέλουμε δε να κατασκευάσουμε νανοσωλήνες σε σχήμα Τ και Χ".

"Εάν μπορούμε εύκολα να κατασκευάσουμε, να χειριστούμε και να συγκεντρώσουμε αυτές τις νανο-συσκευές σε μεγάλη κλίμακα θα μπορούσαν τότε να γίνουν η βάση ενός νέου είδους τρανζίστορ και της νανοτεχνολογίας", συμπληρώνει ο Bandaru.

"Πρέπει κανείς να θυμάται ότι για τους επεξεργαστές Pentium, οι οποίοι έχουν πάνω από 500 εκατ. τρανζίστορ, ο πρόγονος ήταν ένα απλό ολοκληρωμένο κύκλωμα με δύο τρανζίστορ το 1958", σχολιάζει ο Bandaru. "Πιθανότατα βρισκόμαστε στο ίδιο στάδιο με τις διακλαδώσεις-Υ και το μέλλον προδιαγράφεται καλό", τελειώνει.