Tranzystory z naładowanych nanocząstek złota - odporne na wodę, zginanie i iskry

Tranzystory powszechnie stosowane są w urządzeniach codziennego użytku - znajdują się np. w układach scalonych czy procesorach. Mogą kontrolować przepływ ładunków elektrycznych - np. wzmacniać sygnał lub działać jak jego przełącznik. Dotąd do budowy tranzystorów niezbędne były materiały półprzewodnikowe - np. german, krzem, azotek galu, węglik krzemu. Półprzewodniki mają bowiem tzw. strukturę pasmową - są w nich pasma przewodzenia, dzięki którym prąd nie płynie przez nie w sposób tak oczywisty, jak np. przez metale. A przepływ prądu można modulować.

Teraz zespół kierowany przez prof. Bartosza Grzybowskiego (IChO PAN oraz koreański UNIST) i prof. Yonga Yana (Uniwersytet Chińskiej Akademii Nauk) pokazał, jak tranzystory wytwarzać z nanocząstek metalu - a dokładniej z nanocząstek złota oblepionych ligandami o odpowiednim ładunku elektrycznym. Wyniki ukazały się w "Nature Electronics" (https://www.nature.com/articles/s41928-020-00527-z).

"Pokazujemy, że można zrobić tranzystor i układ scalony nie wykorzystując tradycyjnego półprzewodnika, ale metal. A to dla fizyków było dotąd dość nieoczywiste" - uśmiecha się prof. Grzybowski. I dodaje, że metale mogą się zachowywać jak półprzewodnik pod warunkiem, że dzieje się to w nanoskali - i to nie za pomocą tzw. blokady Coulomba, a dzięki osiągnięciom z zakresu chemoelektroniki - stosunkowo nowego obszaru wiedzy.

"Mimo że materiał jest metalem, poruszające się wokół niego jony mogą tworzyć lokalne pola elektryczne i wywoływać efekty podobne do tych, co w półprzewodnikach" - mówi w rozmowie z PAP prof. Bartosz Grzybowski.

Naukowiec wyjaśnia, że rozwiązanie to może otworzyć nowe możliwości dla zastosowań tranzystorów. Tranzystory budowane z tradycyjnych półprzewodników nie były bowiem odporne na zginanie, wilgoć, czy wyładowania elektryczne, trzeba było je nanosić na powierzchnię w próżni, a same półprzewodniki - krystalizować w wysokich temperaturach (np. w procesie Czochralskiego).

"A nasz tranzystor można zginać i nic mu się nie stanie. Albo zanurzyć w wilgotnej atmosferze lub poddać działaniu silnych wyładowań elektrycznych i dalej będzie działać, bo wilgoć mu wręcz sprzyja, a iskry nie szkodzą. To się naprawdę trudno psuje" - uważa prof. Grzybowski.

Dodaje, że nanocząstki złota, z których powstaje tranzystor, są rozpuszczalne w wodzie i w alkoholu. "Nawet chciałem to kiedyś nazwać vodka electronics" - śmieje się badacz.

Tłumaczy, że nakładanie warstw jest proste: polega na tym, że bierze się mieszaninę z nanocząstkami i wylewa ją na powierzchnię. Rozpuszczalnik odparowuje, a cieniutka warstwa nanocząstek przywiera do powierzchni. Konstruowanie tranzystora wygląda więc trochę jak malowanie farbką. Nie są do tego potrzebne próżnia czy też wysokie temperatury.

Chemik wskazuje, że takie rozwiązanie nie zastąpi pewnie tradycyjnych półprzewodnikowych procesorów w komputerach, ale w niektórych zastosowaniach mogłoby być ciekawą alternatywą dla zwykłej elektroniki. Nowe tranzystory mogłyby posłużyć np. w zastosowaniach pod wodą czy w środowisku żrącym. W dodatku, jak mówi naukowiec, układy te być może dałoby się wykorzystać jako sensory niektórych substancji chemicznych. "Takie nanocząstki w obecności roztworu mogłyby wykrywać toksyczne substancje i przetworzyć je na sygnał elektryczny" - uważa.

We wcześniejszej pracy w "Science Advances" naukowcy pokazali, jak z takich samych elektrycznie naładowanych nanocząstek złota wytwarzać układy logiczne - skonstruowali przy ich użyciu np. radio. Nanocząstki działały tam m.in. jako antena, element przetwarzający sygnały elektryczne na dźwiękowe. Teraz poszli o krok dalej i pokazali, jak z nanocząstek złota wytwarzać tranzystory i układy scalone.

Pytany, czy nanocząstki złota nie są zbyt kosztownym materiałem, mówi: "warstwy, które są nam potrzebne w tranzystorze, mają mikrony grubości. A to oznacza, że parę gramów złota wystarczyłby nam więc pewnie, żeby pomalować np. całe mieszkanie."

I tłumaczy, że prawdopodobnie będzie się dało skonstruować tranzystory z użyciem nanocząstek innych metali, ale akurat nanocząstki złota są wytrzymałe i nietoksyczne. A jego zespół pracuje nad nimi od ponad dekady (w poprzednim roku zespół prof. Grzybowskiego pokazał w „Nature Nanotechnology”, że naładowane nanocząstki złota - o nieco innej architekturze niż te z tranzystorów - mogą się przydać w selektywnym zwalczaniu komórek nowotworowych).

"Pokazujemy, jak z nanocząstek złota, nad którymi pracowaliśmy od lat, zrobić elektronikę opartą nie na półprzewodnikach, ale na metalach i elektronikę nieczułą na różne nieprzyjazne bodźce" - podsumowuje.

PAP – Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

Lt/ ekr/

Źródło informacji: Nauka w Polsce