Transistors van koolstof nanobuisjes via zelforganisatie

Met koolstof nanobuisjes is piepkleine elektronica te bouwen. Maar de buisjes zijn moeilijk te hanteren. Nu hebben RUG onderzoekers, met collega’s van de universiteit van Wuppertal en IBM Zürich, een manier ontwikkeld om halfgeleidende nanobuisjes uit een mengsel te selecteren en ze via zelforganisatie een circuit te laten vormen op gouden elektroden. De resultaten zijn op 29 maart gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Materials.

Het eindresultaat is verrassend simpel: een transistor die via zelfassemblage ontstaat, met bijna 100 procent zuivere nanobuisjes en een zeer hoge elektronengeleiding. Maar het duurde tien jaar om dat te bereiken. RUG hoogleraar Fotofysica en opto-elektronica Maria Antonietta Loi ontwikkelde polymeren die in een vloeistof met een mengsel van koolstof nanobuisjes zichzelf om buisjes met specifieke eigenschappen wikkelen. Zwavelhoudende thiol-zijketens van het polymeer binden de buisjes vervolgens aan een circuit van gouden elektroden.

‘In eerder werk hadden we al veel geleerd over de manier waarop polymeren zich binden aan specifieke koolstof nanobuisjes’, legt Loi uit. Die buisjes kun je zien als opgerolde ‘velletjes’ grafeen, de tweedimensionale vorm van koolstof. ‘De eigenschappen hangen af van hoe die velletjes zijn opgerold. Ze kunnen halfgeleidend zijn, half-metallisch of metallisch.’ Alleen de halfgeleiders zijn bruikbaar voor het maken van transistoren. Maar het productieproces van de buisjes levert altijd een mengsel van verschillende typen op.

‘We waren al geruime tijd bezig met het idee om polymeren met thiol zijketens te gebruiken’, vertelt Loi. Zwavel bindt aan metalen, dus dit zou de in polymeer gewikkelde buisjes naar de elektroden brengen. Terwijl Loi aan dit concept werkte nam IBM er al een patent op. ‘Maar in hun methode zit een groot probleem: de polymeren met thiol binden ook aan metallische nanobuisjes zodat die ook in de transistoren kwamen te zitten, waardoor ze niet meer werkten.’

Loi wist dit probleem op te lossen door de hoeveelheid thiol zijketens te verminderen, met hulp van polymeerchemici van de universiteit van Wuppertal. ‘Nu laten we zien dat het concept van bottom-up assemblage werkt: via de polymeren met een lage concentratie thiolen kunnen we de halfgeleidende nanobuisjes uit een mengsel halen en op een circuit binden.’ De zwavel-goud verbinding is bovendien sterk, zodat de nanobuisjes stevig vastzitten: zelfs na sonicatie van de transistoren in een organisch oplosmiddel blijven ze op hun plek.

Het productieproces is simpel: je maakt patronen van metaal op een drager en doopt die drager in een oplossing van koolstof nanobuisjes. Door de elektroden op de juiste afstand van elkaar te maken komen de nanobuisjes er op de goede manier op te zitten: ‘De buisjes zijn zo’n 500 nanometer lang, we hebben de elektroden voor een transistor 300 nanometer uit elkaar gezet. En de volgende transistor staat op 500 nanometer.’ Dit beperkt nu nog de dichtheid van transistoren, maar Loi vertrouwt erop dat die via slimme technische oplossingen is te vergroten.

‘In de laatste tien jaar hebben we een hele verzameling van polymeren met voorkeur voor halfgeleidende nanobuisjes gemaakt. We snappen nu veel beter hoe de structuur en samenstelling van de polymeren bepalen aan welke koolstof nanobuisjes ze binden’, zegt Loi. Dat levert een techniek op om elektronica van nanobuisjes te maken op een goedkope, schaalbare manier. Wat is de toekomst voor deze techniek? Loi: ‘Het is lastig te voorspellen of de industrie dit concept verder zal gaan uitwerken. Maar wij gaan door met het verbeteren ervan en uiteindelijk zal dat ons idee dichter bij een echte toepassing brengen.’

Referentie: Vladimir Derenskyi, Widianta Gomulya, Wytse Talsma, Jorge Mario Salazar-Rios, Martin Fritsch, Peter Nirmalraj, Heike Riel, Sybille Allard, Ulrich Scherf, Maria A. Loi: On-chip chemical self-assembly of semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes (SWNTs): towards robust and scale invariant SWNTs transistors. Advanced Materials, online 5 april 2017 DOI 10.1002/adma.201606757