Współczesne tranzystory używane powszechnie w układach scalonych są oparte na materiałach półprzewodnikowych, najczęściej krzemie. Jednak wraz ze wzrostem zapotrzebowania na układy elektroniczne w laptopach, tabletach i smartfonach, poszukiwane są nowe metody taniego wytwarzania tranzystorów, które byłyby tanie, energooszczędne i funkcjonalne.

Zespół badawczy Uniwersytetu Hamburskiego pod przewodnictwem dr. Christiana Klinke osiągnął sukces w stworzeniu tranzystorów działających na zupełnie innej zasadzie. Naukowcy wykorzystali nanocząsteczki, które są tak małe, że przestają wykazywać właściwości metalu podczas przepływu prądu – występuje w nich przerwa energetyczna wynikająca z kulombowskiego wzajemnego odpychania elektronów. Poprzez sterowanie napięciem można zmienić poziom energetyczny tej przerwy, co w efekcie prowadzi do włączania i wyłączania przepływu prądu.

Rys. 1. Nowa koncepcja tranzystora. Cienkie warstwy nanocząsteczek materiału (szare sfery) tworzą kontakt elektryczny ze złotymi elektrodami. Prąd płynący przez warstwy (niebieski) jest regulowany napięciem lokalnej elektrody umieszczonej pod warstwą. W celu charakteryzacji zostały użyte sondy w kształcie igieł, które pozwalają dostarczyć wymagane napięcie i zmierzyć prąd (autor: Christian Klinke, Uniwersytet w Hamburgu)

W odróżnieniu od podobnych pomysłów testowanych wcześniej, nanocząsteczki nie są nanoszone jako indywidualne struktury – to sprawiałoby, że produkcja byłaby bardzo złożona, a właściwości uzyskanych komponentów nie byłyby przewidywalne. Zamiast tego, nanoszone są w postaci cienkich warstw o grubości zaledwie jednej nanocząsteczki. Dzięki tej metodzie charakterystyki elektryczne układów są niemal identyczne, a przy tym możliwe do kontroli.

Te „tranzystory Coulomba” mają trzy główne zalety, które czynią je interesującymi w zastosowaniach komercyjnych: Synteza metalowych nanocząsteczek metodą koloidalną jest bardzo dobrze opanowana i skalowalna. Umożliwia tworzenie bardzo małych nanokryształów, które można przechowywać w rozpuszczalnikach i łatwo przetwarzać. Metoda nanoszenia warstw Langmuir-Blodgetta pozwala otrzymać wysokiej jakości jednowarstwowe powierzchnie i można ją zaimplementować na skalę przemysłową. To rozwiązanie pozwala zatem wykorzystać standardowe metody litograficzne do projektowania komponentów i integracji obwodów elektrycznych, dzięki czemu mogą one być niedrogie, funkcjonalne i kompatybilne z istniejącymi urządzeniami. Otrzymane tranzystory przełączają się w szerokim zakresie i pracują do temperatury pokojowej.

To odkrycie daje szanse na powstanie w przyszłości tanich tranzystorów i układów scalonych dla komputerów o niższym poborze mocy. Rezultaty badań zostały opublikowane w periodyku Science Advances w artykule „Metal nanoparticle film–based room temperature Coulomb transistor”.

Rys. 2. Projekt nowego tranzystora. Cienkie płaszczyzny zbudowane z metalowych nanocząsteczek (niebieskie sfery) mają elektryczny kontakt ze złotymi elektrodami (bramką i źródłem). Prąd płynący przez powierzchnię jest regulowany przez lokalna elektrodę (bramkę) umieszczoną pod warstwą (autor: Christian Klinke, Uniwersytet w Hamburgu)

„Z naukowego punktu widzenia interesujące jest zjawisko uzyskania przez cząstki metalu cech typowych dla półprzewodników dzięki małym wymiarom struktury. Oczywiście potrzebne są dalsze badania, jednak nasza praca pokazuje, że istnieją alternatywy dla tradycyjnych tranzystorów, które można wykorzystać w różnych obszarach zastosowań.” – komentuje Christian Klinke. „Układy zaprojektowane przez nasz zespół mogą być wykorzystane nie tylko jako tranzystory, ale też jako czujniki chemiczne. Przestrzenie między nanocząsteczkami funkcjonują jako bariery potencjału i są bardzo wrażliwe na zalegające substancje chemiczne.”