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Kohlenstoff-Nanoröhren-Feldeffekttransistor (CNTFET)

1998
  • Sumio Iijima
  • Cees Dekker
  • Phaedon Avouris
Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Feldeffekttransistor in einer Laborumgebung, materialwissenschaftliche Anwendung.

A Carbon Nanotube Field-Effect Transistor (CNTFET) utilizes a single carbon nanotube (CNT) or an array of CNTs as the channel material instead of bulk silicon. Depending on its chirality (the arrangement of its graphene lattice), a CNT can be either metallic or semiconducting, making it a versatile building block for nanoelectronic devices with superior performance potential.

A CNTFET operates on the same principle as a conventional MOSFET. It has a source, a drain, and a gate terminal. The key difference is the channel, which is formed by one or more carbon nanotubes. When a voltage is applied to the gate, it creates an electric field that modulates the conductivity of the semiconducting CNT, turning the flow of current between the source and drain ‘on’ or ‘off’. The exceptional properties of CNTs make them highly attractive for this application. They exhibit extremely high carrier mobility, meaning electrons can travel through them with very little scattering, which translates to faster switching speeds and higher current-carrying capacity. Their one-dimensional structure provides excellent electrostatic control by the gate, reducing short-channel effects that plague scaled-down silicon transistors.

Allerdings blieben der großflächigen Kommerzialisierung von CNTFETs erhebliche Herausforderungen verwehrt. Eine der größten Hürden ist die Synthese der CNTs. Typische Synthesemethoden erzeugen eine Mischung aus metallischen und halbleitenden Nanoröhren. Die metallischen Nanoröhren wirken wie Kurzschlüsse, verhindern das vollständige Abschalten des Transistors und führen zu hohen Verlustleistungen. Die großtechnische Trennung dieser Typen mit 100-prozentiger Reinheit ist schwierig und teuer. Eine weitere Herausforderung besteht darin, die CNTs mit präziser Ausrichtung und Dichte auf einem Wafer zu platzieren. Schließlich ist die Herstellung niederohmiger elektrischer Kontakte an den Enden der Nanoröhren nicht trivial und kann die Gesamtleistung des Geräts beeinträchtigen.

Despite these issues, research has made significant progress. Techniques have been developed to selectively remove metallic CNTs or to convert them into semiconducting ones. Demonstrations of complex circuits, including a 16-bit microprocessor, have been built using CNTFETs, proving the viability of the technology. Their unique properties also make them ideal for novel applications like highly sensitive biosensors, where the CNT’s conductance changes dramatically upon the attachment of a target molecule, and for flexible electronics due to their inherent mechanical strength and flexibility.

UNESCO Nomenclature: 3313
- Werkstoffkunde

Typ

Physikalisches Gerät

Unterbrechung

Wesentlich

Verwendung

Aufstrebende Technologie

Vorläufersubstanzen

  • Erfindung des Feldeffekttransistors (FET)
  • Entdeckung der Fullerene
  • Entdeckung und Synthese von Kohlenstoffnanoröhren
  • Entwicklung von Halbleiterherstellungstechniken (Lithographie, Abscheidung)

Anwendungen

  • Hochfrequenzelektronik
  • chemische und biologische Sensoren
  • flexible und transparente Elektronik
  • potenzieller Ersatz für Silizium in zukünftigen Logikschaltungen

Patente:

  • US6835601B2
  • US7015501B2

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