Karbon Nanotüp Transistörler, Silisyum Olanlardan Daha İyi

Silisyum tabanlı transistörler (BJT-1947 ve MosFet-1959) akıllı telefonlar, bilgisayarlar ve bütün elektronik devrelerde bulunan, mikrometre, hatta en ileri teknolojilerle nanometre boyutlarında bile üretilebilen anahtarlama elemanlarıdır. Transistörleri, sanki bir işlemci (CPU) içerisindeki neronlarmış gibi düşünebiliriz. Fakat birçok bilim adamı, eldeki teknolojinin silisyum transistörlerle olabilecek en ileri sınırlara ulaştığını düşünüyor.

Geçmişte bilim adamları karbon nanotüplerin bazı özelliklerinden yararlanarak daha az enerji tüketen, verimi ve performansı daha yüksek, daha hızlı kablosuz iletişime ve daha güçlü akıllı telefonlara, bilgisayarlara sahip olmamızı sağlayacak yeni devre elemanları icat etmeye çalışmışlardır (transistörlerden başlayarak); ama duvar kalınlığı bir atom kadar olan küçük nano silindirlerden yapılan bu verimli transistörlerin geliştirilmesinin önünde birçok teknik engel ortaya çıkmıştır. Bu nedenle performansları, günümüz elektroniğinde kullanılan silisyum ve galyum-arsenik iletkenlerin gerisinde kalmıştır.

Şimdi ise, Wiskonsin-Madison Üniversitesi’ndeki malzeme mühendisleri, ilk kez silisyum transistörlerden daha güçlü olan karbon nanotüp yapılı transistörleri icat etmeyi başardılar. UW-Medison malzeme bilimi profesörlerinden oluşan, Michael Arnold ve Padma Gopalan’ın başında olduğu bilim ekibi, karbon nanotüp yapılı transistörün üzerinden, silisyum transistörlerinkine göre 1.9 kat daha fazla akım geçirmeyi başardı. Araştırmacılar, buluşlarını 2 Eylül 2016’da Science Advances dergisinde yayınladıkları bir makale ile duyurdu.

Arnold, bu başarının nanoteknoloji araştırmalarının son yirmi yıldaki hayali olduğunu söylüyor ve ekliyor: ‘’Karbon nanotüpten transistör yapmak; lojik devrelerine, yüksek hızda haberleşme ve diğer yarı iletken elektronik teknolojilerine uyarlanması gerektiğinden kritik bir icattır.’’

Bu buluş, karbon nanotüp transistörlerin, silisyum olanlarla yer değiştirmesine ve böylece bilgisayar endüstrisindeki performans artışının devam etmesine neden olabilecek potansiyeldedir. Yeni transistörler daha küçük alanlarda daha fazla akıma ihtiyaç duyan kablosuz iletişim teknolojisi için daha fazla gelecek vaat etmektedir. Ultra küçük karbon nanotüp yapısı, üzerinden geçen elektrik sinyalinin aşırı hızlı iletilmesine izin vererek kablosuz iletişim cihazları alanında büyük bir sonuç elde edilmesini sağlayabilir. Bu nedenle nanotüp, yeni nesil transistörlerin çağını başlatacak olan en iyi iletken olarak tanımlanıyor.

Araştırmacılar bu sonuçları elde etmek için tabiki hiç de az sıkıntı çekmediler: Örneğin, karbon nanotüpler içerisinde bakır tel gibi davranıp kısa devreye neden olan, istenmeyen katkıları temizlemek gibi. UW-Medison’daki ekip yüksek saflık oranına ulaşmak için, yarı iletken nanotüpleri tek tek dizmelerini sağlayan polimerlerden yararlandılar. Nanotüpleri konumlandırmak ve dizgilemek de ayrıca kontrol etmesi zor bir işlemdir: İyi bir transistör yapmak için bir wafer (özel metalik levha) üzerinde birleştirilirken, nanotüpler doğru yönde ve birbirleri ile doğru mesafede dizilmelidir. 2014’de UW-Medison’daki ekip ‘’floating evoporative self-assembly’’ dedikleri bir teknik ile bu zorluğun da üstesinden geldiler.  Bir diğer teknik sorun;  nanotüpler transistörün metal elektrotları ile iyi temas etmek zorunda, ama ekibin nanotüpleri dizgilemek için kullandığı polimerler bu ikisi arasında izolasyona neden olmaktadır. Araştırma ekibi, nanotüp dizgisini bir vakum fırınında pişirerek elektrotlar ile nanotüpler arasındaki izolasyon katmanlarını temizledi ve sonuç olarak harika bir elektrik iletimi elde etmeyi başardı.

‘’Başarıya ulaşamamış çok sayıda karbon nanotüp araştırması oldu ve birçoklarının görüşünü olumsuz yönde etkiledi; ama inanıyoruz ki bu çalışma gerçek anlamda kabul görecek.’’ Michael Arnold.

Araştırmacılar kafa kafaya bir karşılaştırma yapabilmek için kabron nanotüp transistörleri, onlarla aynı boyda, geometride ve akım kaybı aynı olan silikon transistörlere karşı test etti. Her yeni nesilde boyutları daha da küçültebilmek ve eldeki teknolojiye uygulayabilmek için ekip, nanotüp transistörlerin geometrisini silikon transistörlerdeki geometriye benzetmeye çalışıyor. Araştırmacılar, wafer üzerinde 1’er inç arayla konumlandırma ve dizgileme yapmayı başardı ve şimdi endüstriyel devrelerin inşa edilebilmesi için gerekli daha küçük dizgileme ölçekleri üstünde çalışıyorlar.

Bilim insanları buluşlarını ‘’Wiskonsin Alumni Research Foundation’’ isimli akademik kurum üzerinden patentlemiş durumdalar. Bu buluşa katkıda bulunan ekipteki diğer araştırmacıların isimleri; fizik mühendisliği profesörü Harold Evenson, malzeme bilimci Grald Brady, Austin Way ve doktora öğrencisi Nathaniel Safron.

Çeviri Kaynağı
Close up engineering, 13 eylül 2016
https://systems.closeupengineering.it/transistor-nanotubi-carbonio-silicio/9833/

Video Kaynağı
https://www.youtube.com/watch?v=BT9o_mO1GtY

Görsel Kaynağı: Depositphotos