Dem polnisch-chinesischen Team gelang es, etwas zu erhalten, das für Physiker bisher nicht offensichtlich war: einen Transistor, der nicht aus einem traditionellen Halbleitermaterial, sondern aus Metallnanopartikeln besteht. Solche Transistoren müssen gegen Biegung, Wasser und Funken beständig sein und wie eine Farbe aufgetragen werden.

Transistoren werden häufig in alltäglichen Geräten verwendet - sie finden sich beispielsweise in integrierten Schaltkreisen oder Prozessoren. Sie können den Fluss elektrischer Ladungen steuern - z. B. ein Signal verstärken oder als Schalter wirken. Bisher erforderte der Aufbau von Transistoren Halbleitermaterialien - z. B. Germanium, Silizium, Galliumnitrid, Siliziumkarbid. Halbleiter haben sogenannte Bandstruktur - In ihnen befinden sich Leitungsbänder, durch die der Strom nicht so offensichtlich durch sie fließt wie beispielsweise durch Metalle. Und der Stromfluss kann moduliert werden.

Jetzt wird das Team von prof. Bartosz Grzybowski (IPC PAS und Korean UNIST) und prof. Yonga Yana (Universität der Chinesischen Akademie der Wissenschaften) zeigte, wie Transistoren aus Metallnanopartikeln hergestellt werden können - genauer gesagt aus Goldnanopartikeln, die mit Liganden mit der entsprechenden elektrischen Ladung verklebt sind. Die Ergebnisse erschienen in "Nature Electronics" (https://www.nature.com/articles/s41928-020-00527-z).

„Wir zeigen, dass Sie einen Transistor und eine integrierte Schaltung nicht mit einem herkömmlichen Halbleiter, sondern mit einem Metall herstellen können. Und das war für Physiker ziemlich offensichtlich “, lächelt Prof. Grzybowski. Und er fügt hinzu, dass sich Metalle wie ein Halbleiter verhalten können, vorausgesetzt, dies geschieht im Nanobereich - und nicht mit Hilfe von sogenannten Coulomb-Blockade und dank der Errungenschaften in der Chemoelektronik - ein relativ neues Wissensgebiet.

"Obwohl das Material ein Metall ist, können die Ionen, die sich um es herum bewegen, lokale elektrische Felder erzeugen und ähnliche Effekte wie in Halbleitern verursachen" - sagt Prof. Bartosz Grzybowski.

Der Wissenschaftler erklärt, dass diese Lösung neue Möglichkeiten für Transistoranwendungen eröffnen könnte. Transistoren aus herkömmlichen Halbleitern waren nicht beständig gegen Biegung, Feuchtigkeit oder elektrische Entladungen, sie mussten im Vakuum auf die Oberfläche aufgebracht werden und die Halbleiter selbst mussten bei hohen Temperaturen kristallisiert werden (z. B. im Czochralski-Verfahren).

„Und unser Transistor kann gebogen werden und wird in Ordnung sein. Entweder in eine feuchte Atmosphäre getaucht oder starken elektrischen Entladungen ausgesetzt, funktioniert es weiter, da Feuchtigkeit günstig ist und Funken es nicht schädigen. Es bricht wirklich schwer zusammen "- glaubt prof. Grzybowski.

Er fügt hinzu, dass die Goldnanopartikel, aus denen der Transistor besteht, in Wasser und Alkohol löslich sind. "Ich wollte es eines Tages sogar Wodka-Elektronik nennen" - lacht der Forscher.

Er erklärt, dass das Aufbringen von Schichten einfach ist: Es besteht darin, eine Mischung mit Nanopartikeln zu nehmen und auf die Oberfläche zu gießen. Das Lösungsmittel verdampft und eine dünne Schicht von Nanopartikeln haftet an der Oberfläche. Der Aufbau des Transistors ähnelt dem Malen mit Farbe. Hierfür sind kein Vakuum oder hohe Temperaturen erforderlich.

Der Chemiker weist darauf hin, dass eine solche Lösung wahrscheinlich herkömmliche Halbleiterprozessoren in Computern nicht ersetzen wird, in einigen Anwendungen jedoch eine interessante Alternative zur normalen Elektronik darstellen könnte. Die neuen Transistoren könnten beispielsweise bei Anwendungen unter Wasser oder in einer korrosiven Umgebung eingesetzt werden. Darüber hinaus könnten diese Systeme möglicherweise als Sensoren für bestimmte Chemikalien verwendet werden, so der Wissenschaftler. "Solche Nanopartikel könnten in Gegenwart einer Lösung toxische Substanzen erkennen und in ein elektrisches Signal umwandeln", glaubt er.

In einer früheren Arbeit in Fortschritte in der Wissenschaft Wissenschaftler haben gezeigt, wie man aus denselben elektrisch geladenen Goldnanopartikeln logische Schaltkreise erzeugt - sie haben beispielsweise ein Radio konstruiert. Dort arbeiteten unter anderem Nanopartikel als Antenne ein Element, das elektrische Signale in Schall umwandelt. Jetzt gingen sie noch einen Schritt weiter und zeigten, wie man Transistoren und integrierte Schaltkreise aus Goldnanopartikeln herstellt.

Auf die Frage, ob Goldnanopartikel zu teures Material sind, sagt er: „Die Schichten, die wir in einem Transistor benötigen, sind Mikrometer dick. Dies bedeutet, dass ein paar Gramm Gold wahrscheinlich ausreichen würden, um beispielsweise eine ganze Wohnung zu streichen. "

Und er erklärt, dass es wahrscheinlich möglich sein wird, Transistoren unter Verwendung von Nanopartikeln aus anderen Metallen zu konstruieren, aber Goldnanopartikel sind dauerhaft und ungiftig. Und sein Team arbeitet seit über einem Jahrzehnt daran (letztes Jahr hat das Team von Prof. Grzybowski gezeigt Natur Nanotechnologiedass geladene Goldnanopartikel - mit einer etwas anderen Architektur als die von Transistoren - bei der selektiven Bekämpfung von Krebszellen nützlich sein können).

"Wir zeigen, wie man Goldnanopartikel, an denen wir seit Jahren arbeiten, zu einer Elektronik macht, die nicht auf Halbleitern, sondern auf Metallen basiert, und wie man Elektronik für verschiedene feindliche Reize undurchlässig macht" - schließt er.

PAP - Wissenschaft in Polen, Ludwika Tomala

Quelle und Fotos: Wissenschaft in Polen


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