Karbon Nanotüp Transistörlerin Gücü ve Potansiyeli - Nanografi

Karbon nanotüpleri (CNT'ler), grafen tabakalarının boru şeklinde bir morfolojiye uyum sağlayacak şekilde yuvarlanmasıyla hazırlanan sp2 hibridizasyonuna sahip karbon atomlarının tek boyutlu allotroplarıdır.

Genel olarak, bir, iki veya daha fazla rulo grafen tabakası sırasıyla tek (SWCNT'ler), çift (DWCVT'ler) ve çok duvarlı grafen nanotüpleri (MWCNT'ler) olarak bilinir. Teknik olarak tek duvarlı karbon nanotüpler, dikkat çekici ve benzersiz kimyasal ve fiziksel özelliklerinden dolayı bilimin, teknolojinin, yeni nesil nanoelektroik cihazların ve endüstrinin çeşitli alanlarında uygulama alanı bulmuştur. Nanografi'nin yüksek iletkenlik ve dayanıklılıklarıyla tanınan karbon nanotüp ürünlerini kullanarak akademik araştırmalarınızı ve işinizi geliştiriyoruz.

Giriş

Şu ana kadar sunulan birkaç teknikle ilgili olarak, karbon nanotüpler, fiziksel yukarıdan aşağıya sentez yöntemi (top-down synthesis method) olarak adlandırılan yönteme dayanarak elde edilmektedir. Karbon nanotüpler, moleküler elektrik devrelerinin yapı taşları olarak kabul edilir ve yalnızca belirli bir cihazdaki aktif moleküler elemanlar arasında ara bağlantı olarak kullanılma potansiyeline sahip olmakla kalmaz, aynı zamanda cihazın kendisi olarak da hizmet etme kapasitesine sahiptir.

Transistörler nedir?

Transistörler, özellikle elektrik güç elektronik sinyallerini yükseltmek veya değiştirmek için kullanılan bir yarı iletken cihaz sınıfıdır. Çoğunlukla harici bir devreye bağlanacak üç terminalin birleşimi ile temelde yarı iletken olan malzemelerden yapılırlar. Bir transistörde, bir çift terminalden geçen akım, başka bir terminal çiftinde veya voltaj uygulandığında kontrol edilir veya iletilir. Giriş olarak kontrol edilen güç, giriş veya kontrol gücünden daha yüksek çıkabileceğinden, bir transistör bir sinyali yükseltebilir. Genellikle transistörler ayrı ayrı kullanılır ancak entegre devrelerin içinde çok sayıda transistör bulunur.

Alan etkili transistör kavramı ilk olarak 1920'lerde önerildi ve ilk pratik cihaz, 1940'larda tasarlanan ve 1956'da Nobel Fizik Ödülü'nü kazanan nokta temaslı transistördü. O zamandan beri, transistörler elektronik endüstrisinde devrim yarattı. Daha ucuz ve daha küçük hesap makineleri, bilgisayarlar, radyo vb. tasarlamak mümkün oldu. Transistörlerin çoğu oldukça zayıf silisyumdan tasarlanmış ve yapılmıştır, bazıları da germanyumdan yapılmıştır. Bununla birlikte, bilim ve teknolojinin büyümesi ve malzeme bilimindeki ilerlemelerle birlikte, benzersiz elektronik ve fiziksel özelliklere sahip grafen ve karbon nanotüpler gibi yeni yarı iletken malzeme sınıfları, geleneksel malzemelerin yerini almaktadır. Alan etkili bir transistörde yalnızca bir tür yük taşıyıcı veya Bipolar Bağlantı Transistörlü cihazlarda iki tür yük taşıyıcı bulunabilir. Transistörler temel olarak daha küçüktür ve vakum tüpüne kıyasla çalışmak için daha az güç tüketir. Bazı belirli vakum tüplerinin oldukça yüksek çalışma frekanslarında ve voltajlarda transistörlere göre avantajlı olduğu gösterilmiştir.

Zayıf bir elektronik sinyalin veya elektrik gücünün olduğu yerlerde, transistörler bunları yükseltmek ve değiştirmek için bir çözüm olarak yükselir. Alan etkili transistörler (FET'ler), elektrik akımını kontrol etmek için elektrik alanından yararlanan bir transistör sınıfıdır. Bu yarı iletken cihazlar geçit, drenaj ve kaynak olarak bilinen üç terminal içerir. FET'ler, geçide bir voltaj uygulayarak kaynak ve drenaj arasındaki iletkenliği değiştirir; bu da, kapalıyken düşük akımı ve açıkken yüksek elektriği iletmek için bir FET'in anahtarlama cihazı olarak uygulanmasını sağlar. Aslında, bu AÇMA/KAPAMA geçidi kontrol işlemi, geçidin AÇIK modundaki daha yüksek bir değerden en düşük KAPALI değerine modüle edilmesiyle gerçekleştirilir. Akımın AÇIK/KAPALI oranı, dijital anahtar performansının önemli bir ölçüsüdür; çünkü oran ne kadar büyük olursa performans da o kadar iyi olur. Tek kutuplu transistörler olarak da bilinen alan etkili transistörler, elektron veya elektron deliklerini (belirli bir konumda pozitif yüke neden olan bir elektronun bulunmaması) kullanarak, ancak aynı anda değil, elektrik yükünü taşırlar.

Karbon Nanotüp Tabanlı Transistörler

Karbon nanotüpler genel olarak benzersiz termal ve kimyasal stabilite, daha yüksek çekme mukavemeti ve mükemmel taşıma iletkenliği gösterir. Karbon nanotüplerin çapı ve helisitesi, kristal yapılarına bağlı olarak eşdeğer birleştirme vektörü ile tanımlanır. Elektronik bant yapısı hesaplamaları, belirli bir karbon nanotüpünün yarı iletken mi yoksa metal mi olduğunu belirler. Karbon-karbon sp2'dekikarbon nanotüplerin elektronik özelliklerini anlamak için grafitin elektronik özelliklerini dikkate almak her zaman öğreticidir. Grafitin, iletkenliği ve değerlik bandı altı noktada dejenere olan sıfır bant aralığı veya yarı metal yarı iletken olduğu bilinmektedir. Bu nedenle, Dolayısıyla, grafen tabakanın iki boyutlu (2D) yapısına sahip belirli bir parçası, ana grafitin özelliklerini kristal kafes geometrisine bağlı olarak metal veya yarı iletken gibi amplifikasyon kalitesinde taşıyan bir boyutlu (1D) tek duvarlı karbon nanotüp oluşturmak üzere rulo yapar. Bununla ilgili olarak, CNT'lerin neredeyse üçte ikisi yarı iletkendir ve üçte biri metalik maddedir.

Karbon nanotüplere dayanan bir transistör, kanal malzemesi olarak geleneksel transistörlerde kullanılan silisyum yerine tek bir karbon nanotüpleri veya karbon nanotüplerin oluşumunu kullanan alan etkili bir transistördür. Karbon nanotüp transistörleri ilk olarak 1998 yılında piyasaya sürüldü ve oda sıcaklığında çalışabilen, 1 nanometre kadar küçük çapa sahip tek duvarlı karbon nanotüplerin avantajından yararlanıldı. Bu teknolojinin ticari uygulamaları birçok teknik zorluğa yol açmıştır. Günümüzde 21. yüzyılda nanoteknoloji ve malzeme bilimindeki gelişmelerle birlikte nanoskobik çağın ortaya çıkmasıyla elektronik ve elektrikli cihazların her zamankinden daha küçük boyutlara ulaşması bekleniyor. Karbon nanotüpün kullanım alanları hakkında daha fazla bilgi edinmek için blog sayfamızı ziyaret edin.

Karbon Nanotüp Tabanlı Transistörlerin ve Çözümlerin Güncel Zorlukları

Yüksek hızlı veri işleme talebi göz önüne alındığında, bilim ve teknoloji, bilgisayar çiplerinin veri işleme hızının her iki yılda bir iki kat artmasının beklendiğini belirten Moore Yasası'nın zorluğuyla karşı karşıya kaldı. Daha yüksek veri işleme hızlarına ulaşmak için, herhangi bir elektronik ve elektrikli cihazın inç kare başına düşen transistör sayısını, güç yoğunluğu ve performans iyileşene kadar artırmak gerekir. Eş zamanlı olarak bu artış belirli bir ürünün fiyatında da artış gerektirecektir. Açıkçası, Silisyum bazlı transistörler, dünyanın dört bir yanından bilim ve teknolojiyi uygun bir alternatif veya silisyum bulmaya yoğunlaştıracak şekilde sınırlarına ulaşma eşiğindedir. Şüphesiz, karbon nanotüpler en çok ölçülen ve gelecek vaat eden malzeme olarak kabul edilmektedir.Mükemmel elektronik ve fiziksel özelliklerinin yanı sıra elektrik iletim yetenekleri nedeniyle silisyumun yerini alacak. Karbon nanotüplerin sentezi, seri ticari üretim için kullanılamamalarına neden olan bazı küçük ayrıntılara odaklanılmasını gerektirir. Zorluk, karbon nanotüplerin sentez sürecinin, eğer arzu edilen bir performans gerekliyse, silisyon bazlı transistörlerden bile daha büyük olabilen nanotüp transistörlerine yol açmasıdır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için kobalt-molibden bazlı özel transistör kontakları, nanotüp transistörler üzerinden akım iletebilecek şekilde tasarlanmıştır.

Teknik olarak bu sınıftaki transistörlerdeki kobalt molibden, değerli yerden tasarruf etmek için daha düşük dirençli temaslar sağlamak ve nanotüp ucuna doğrudan bağlanmak için uygulanır. Kobalt kullanımı, daha düşük sıcaklıklarda bir bağın kurulabilmesini garanti eder. Aslında, reaksiyon sıcaklığındaki azalma, temasın tasarlanmasını kolaylaştırmanın yanı sıra yapısal bütünlüğünü koruyarak boşaltma elektrotları ile kaynak arasında 29 nanometre kadar düşük bant boşluklarına yol açar.

Karbon nanotüplerin üretimi, kullanım alanları ve gelecek potansiyeli için blogumuzu okuyun.

Karbon Nanotüp Tabanlı Transistörlerde Son Başarılar

Çeşitli paralel nanotüplerin birbirine yakın bir şekilde uygulanmasıyla başarılar elde edilmiş ve bu sayede toplam elektrik akım iletimini artırmak mümkün olmuştur. Bu sıradaki her karbon nanotüp 30 nanometre uzunluğunda ve 1.4 nanometre genişliğindedir. Yüksek akım, devre içindeki bir sonraki cihazın kapısının şarjını gerçekten yüksek bir hızda yapar. Araştırmacılar, birbirine yakın bir şekilde birçok paralel nanotüp telini yerleştirmeyi başararak toplam elektrik akımını artırmışlardır. Daha yüksek akım, devrenin bir sonraki cihazının kapısının en hızlı şekilde şarj olmasını sağlar. Bu teknolojiye dayalı olarak, transistörlerin toplam boyutu yalnızca 40 nanometreye kadar indirilebilir ki bu, 100 nanometre genişliğindeki Silikon transistörlere kıyasla oldukça küçüktür. Karbon nanotüplere dayalı transistörler, küçük bir alanda yüksek akım akışını gerektiren kablosuz iletişim cihazlarında uygulanabilir potansiyele sahiptir. Başka bir denemede ise, 15000 transistör içeren ve ticari bir yonga üretim tesisi içerisinde kullanılabilme kapasitesine sahip 16-bit programlanabilir bir karbon nanotüp mikroprosesörü oluşturulmuştur. Bu çalışmaya göre, bugünkü ticari işlem sürecinin kapasitesi, yüzde 99.99 oranında yarıiletken nanotüp ve yüzde 0.01 oranında metalik nanotüp üretme yeteneğine sahiptir.

Sonuç

Transistörlerin, karbon nanotüplerin uygulanmasına dayalı olarak elektronik endüstrisinin eşiklerini daha da ileriye taşıması bekleniyor. Silisyumdan farklı olarak, karbon nanotüp transistörleri oda sıcaklığında çalışmak için pratik olarak nano ölçekli çaplara sahip olabilir. Karbon nanotüp transistörlere dayalı olarak, verileri en yüksek hız ve düşük dirençle işlemek için daha fazla sayıda ve daha küçük boyutlu transistörlerin yerleştirilmesi mümkündür. Karbon nanotüpler kullanıldığında, transistörlerin toplam ayak izi, çapı 100 nanometre olan silisyum transistörlere kıyasla yalnızca 40 nanometreye düşürülebilir. Nanografi'nin 100'den fazla ülkede deneyim kazandığı yüksek kaliteli ürünleri incelemek için web sitemizi ziyaret edin.

Kaynakça

Access, O. We are IntechOpen , the world ’ s leading publisher of Open Access books Built by scientists , for scientists TOP 1 %.

Applications of Nanomaterials. 0D and 1D nanomaterials have extensive... | Download Scientific Diagram. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://www.researchgate.net/figure/Applications-of-Nanomaterials-0D-and-1D-nanomaterials-have-extensive-applications_fig1_354069532

Bipolar bağlantı transistörü - Vikipedi. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://tr.wikipedia.org/wiki/Bipolar_ba%C4%9Flant%C4%B1_transist%C3%B6r%C3%BC

Donnelly, M., Mao, D., Park, J. & Xu, G. Graphene field-effect transistors: The road to bioelectronics. J. Phys. D. Appl. Phys. 51, (2018).

Fet Nedir? Ne İşe Yarar? Nerelerde Kullanılır? (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://www.elektrikrehberiniz.com/elektronik/fet-nedir-13805/

Foundry, T. FINALLY , A FUNCTIONAL CARBON- NANOTUBE CPU. 8–9 (2019).

Her Soruna Bir Çözüm Sunan Malzeme: Karbon Nanotüp - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/her-soruna-bir-cozum-sunan-malzeme-karbon-nanotup/

Karbon Nanotüpler ve Nanoteknoloji İle Gelecek - Nanografi Türkiye. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://shop.nanografi.com.tr/blografi/karbon-nanotupler-ve-nanoteknoloji-ile-gelecek/

Moore yasası - Vikipedi. (n.d.). Retrieved February 12, 2024, from https://tr.wikipedia.org/wiki/Moore_yasas%C4%B1

Odom, T. W., Huang, J. & Lieber, C. M. Single-Walled Carbon Nanotubes From Fundamental Studies to New Device Concepts. 215, 203–215 (2002).