Carbon Nanotube-Based Devices [Romanian]

Original in English by Horacio Dante Espinosa

Nanotuburi de carbon dispozitive bazate pe

cbd_CNTswitch3

Figura 1 (sus) Graficul a regimurilor de nanotuburi de carbon pe bază formate pe baza consolei nanotuburilor de carbon individuale peste un electrod. Un rezistor întoarcere este plasat în serie cu sursa de tensiune. (Jos) Curba caracteristicii I-IV, pentru un dispozitiv CNT care arată compararea comportamentului prezis teoretic şi măsurat experimental.

Acest proiect cercetează dezvoltarea şi capacităţile de sisteme nanoelectromechanice(sau NEMS, de la eng. nanoelectromechanical systems) pe baza nanotuburilor de carbon (sau CNT, de la eng. carbon nanotube). Anterior, ne-am concentrat asupra provocărilor nanofabricației şi modurilor omniprezente de eşec, care se opun în prezent pe scară largă realizărilor reţele de înaltă performanţă bazate pe NEMS CNT. Noi propunem să construim pe această înţelegere şi să analizăm ultimele performanţe dispozitivelor electro-mecanice CNT, prin determinarea frecvenţelor pe pot atinge acestea în cadrul schemelor de încărcare induse cu laser. În plus, noi avem de gând să dezvoltăm metode stabilire a protocoalelor solide de fabricație pe scară largă a graficelor de porţi logice.

În cele din urmă, scopul nostru este de a crea o un system metric pentru proiectarea de dispozitive robuste, de înaltă performanţă bazate pe CNT care pot fi practic fabricate în număr mare.

Noi folosim un comutator bazat pe CNT cu control de răspundere în buclă închisă (figura 1), dezvoltat de grupul nostru, ca o platformă pentru investigaţiile noastre. Atunci când tensiunea U aplicată depăşeşte o valoare critică (numită tensiune de tragere), CNT se accelereaza spre electrodul de jos, încheind astfel comutatorul. Acest eveniment de tragere dinamic şi impact ulterior de CNT-electrod poate duce la un număr de moduri de defectări diferite, care sunt comune la aceasta clasa de NEMS electrostatic acţionate. Acestea includ fractura de CNT, ablație prin disiparea încărcării rapidr şi sticție ireversibilă între CNT şi electrod. Un obiectiv principal în acest studiu este de a intelege mecanismele care stau la baza eşecului şi de a stabili o măsurătoare pentru proiectarea de NEMS robuste bazate pe CNT.

Prin crearea reţelelor de dispozitive cu geometrie variabil-treptată, vom efectua studii parametrice pentru a identifica diferitele moduri de eşec şi punctul lor de debut în cadrul spaţiului de proiectare. Modele de multifyzice permit apoi nouă de a învestiga mecanismele care stau la baza modurilor de defectare observate experimental.

cbd_CNTswitch3

Figure 2 Freestanding CNT device (fixed-fixed boundary conditions) fabricated for in-situ electromechanical characterization. Scale bar is 1 micron.

Fabricarea de dispozitive şi caracterizare

Pentru a fabrica dispozitive, vom combina procesele standarte de microfabricare cu tehnici de nanoscheme noi. Noi folosim instrumentele noastre bazate pe probe eforturilor de nanoproducere la model de catalizator pentru creşterea ulterioară de CNT pe electrozi pre-fabricate. CNT sunt apoi crescute în loc pe dispozitive. Aici capacităţi paralele de structurare mai puțin de100-nanometri ne permit să creăm matrici de CNT bine ordonate. Matricele de dispozitive sunt construite în acest mod progresiv cu geometrie variabilă. Noi caracterizăm apoi modurile de performanţă şi de eşec ale acestor dispozitive pe loc prin scanare microscopică a electronilor (Figura 2). Acest lucru permite vizualizarea directă a funcţionării dispozitivului şi modurilor sale de eşec.

Modelarea dinamică

Pentru a produce analiza performanţei dinamice a dispozitivelor bazate pe CNT şi de a explica măsurări experimentale, vom folosi atât metode de analiză cît şi cele cu element finit. Prin rezolvarea unui model analitic, cu metode de diferențe finite, poate fi estimat răspunsul dinamic al consolei CNT. Folosim, de asemenea, metodele de elemente finite multifizice pe întregul dispozitiv pentru a obţine informaţii detaliate cu privire la distribuirea de stres şi de propagare a undei, şi tranzitorii în semnăturile electrice şi de temperatură. Figura 3 prezintă un exemplu de evoluţie a distribuţiei de viteză de-a lungul dispozitivului NEMS în timpul evenimentului de tragere. Mai multe detalii sunt disponibile aici (here).

cbd_Total

Figura 3, Model de element finit dinamic multifizic, care arată distribuţia de stres de-a lungul CNT (figura 1) în timpul de acţionare dispozitivului, şi corespunzător cu răspunsul I- IV. Aceste simulări sunt concepute pentru a evalua solicitările (mecanice / electrice / termice), generate în timpul funcţionării aparatului într-un efort pentru a explica mecanismele care stau la baza modurilor de defectare observate experimental.

Identificarea modului de eșec

cbd_fig

Figura 4. Harta dispozitivelor testate în spaţiul de design geometric L-H cu electrozi de carbon de diamant. Barele de eroare sunt definite prin rezoluţia imaginilor SEM din care au fost masurate dimensiunile de lungime şi de goluri. Utilizarea de carbon amorf tetraedric (ta-C), electrozi au eliminat ablatia de CNT-uri găsite în teste cu electrozi de aur. Regiunea de sticții ireversibile, de asemenea, a fost suprimată în comparaţie cu cea de aur. Ca rezultat, regiunea eşecului fără spaţiului de proiectare (alb) pentru electrozi ta-C este mult mai mare decât cel de electrozi de Aur (spulberate).

Noi am explorat moduri de defectare ale nanotuburilor de carbon în cadrul de încărcare ciclică de tensiune indusă. Testele inițiale cu electrozi acoperite cu aur au demonstrat că comutările CNT ar putea eşua din cauza sticției ireversibile, scurtării incrementale (ca urmare a arderii), sau a combinaţiei celor două. Cu toate acestea, testele ulterioare cu electrozi de carbon cum ar fi diamant (ta-C) au arătat o incidenţă mult mai mică de eşec (Figura 4). Aceste rezultate indică faptul că utilizarea a electrozilor ta-C extinde în mod semnificativ spaţiul de design pentru viitoarele dispositive bazate pe CNT.

Următorii paşi

în viitor, noi propunem să învestigăm frecvenţele de rezonanţă care dispozitive bazate pe CNT pot ajunge sub laser indus de încărcare. Vom dezvolta, de asemenea, şi vom rafina metodele de fabricație pe scară largă a graficelor ale acestor dispozitive pentru utilizarea ca porţilor logice. Având în vedere aceste obiective, înţelegerea corelaţiilor dintre selecţie materialelor, design și performanta va fi esenţială. Experiența noastra vastă în fabricarea aparatelor, modelare dinamică şi caracterizarea eşecurilor va dovedi ceva nepreţuit ca vom urmări noi aplicaţii de CNT-bazate pe dispozitive.

Personal

  • Horacio Espinosa (PI)
  • Asmahan Safi (absolvent de student)
  • Xiaoding Wei (post-doctoral fellow)
  • Majid preliminar (post-doctoral fellow)

Colaboratori

  • Dr. Leo Ocola (Centrul pentru Materiale de scara nanometrica, Argonne National Laboratories)
  • Dr. John Sullivan (Centrul de Nanotehnologii integrate, Sandia National Laboratories)
  • Prof. CHANGHONG Ke (Inginerie Mecanica, Universitatea Binghamton)
  • Prof. Irma Kuljanishvili (Fizica, Universitatea St Louis)
  • Dr. Alex Moravsky (MEC Corp)

ok ok