Nhóm nghiên cứu do Phó Giáo sư Michael Arnold và Giáo sư Padma Gopalan đứng đầu đã công bố các loại bóng bán dẫn ống nano cacbon có hiệu suất cao nhất từng được giới thiệu. Bên cạnh việc mở đường cho việc cải tiến các thiết bị điện tử dân dụng, công nghệ này cũng có thể sử dụng đặc biệt trong các ứng dụng công nghiệp và quân sự.

Trong bài viết công bố trên tạp chí ACS Nano, các nhà nghiên cứu cho biết các bóng bán dẫn này có tỷ lệ đóng-mở tốt hơn 1.000 lần và độ dẫn tốt hơn 100 lần so với các bóng bán dẫn ống nano cacbon tiên tiến nhất trước đó.

 “Các ống nano cacbon rất bền chắc và mềm dẻo, vì thế chúng cũng có thể được sử dụng để chế tạo các màn hình mềm dẻo và các loại thiết bị điện tử có thể uốn cong và co giãn”, Arnold cho biết. “Tiến bộ này sẽ cho phép tạo ra các loại thiết bị điện tử mới mà không thể làm bằng các loại vật liệu giòn cứng đang được sử dụng hiện nay”,

Ống nano cacbon là một tấm than chì dày một nguyên tử cuộn tròn lại thành một hình ống. Do một số chất dẫn điện tốt nhất từng được phát hiện, cho nên từ lâu ống nano cacbon được xem là một loại vật liệu hứa hẹn cho các bóng bán dẫn thế hệ tương lai. Đây là thiết bị bán dẫn mà có thể hoạt động như một công tắc đóng-mở dòng điện hoặc khuếch đại dòng điện. Điều này hình thành nền tảng cho các thiết bị điện tử.

Tuy nhiên, cho đến nay, hai thách thức đã làm hạn chế sự phát triển của các bóng bán dẫn ống nano cacbon hiệu suất cao là phải tách được các ống nano cacbon bán dẫn tinh khiết vì các tạp chất ống nano kim loại hoạt động giống các sợi đồng và thiết bị “bị chập mạch”; và phải kiểm soát vị trí và sự sắp xếp của các ống nano.

Hơn hai thập kỷ nghiên cứu trong lĩnh vực ống nano cacbon, nhóm nghiên cứu thuộc Đại học Wisconsin-Madison đã dựa vào các công nghệ tân tiến nhất sử dụng polymer để chọn lọc ra các ống nano bán dẫn, từ đó thu được một dung dịch ống nano cacbon bán dẫn có độ tinh thiết siêu cao.

Trước đây, các kỹ thuật sắp xếp các ống nano khiến cho mật độ nén không được như mong muốn, hay các ống nano gần nhau như thế nào khi chúng ghép thành màng mỏng. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu tại Đại học Wisconsin - Madison đã sử dụng một kỹ thuật mới có tên là tự lắp ráp bốc hơi (floating evaporative self-assembly-FESA) được mô tả trên tạp chí Langmuir của ACS trước đó. Bằng kỹ thuật này, họ đã “khai thác” một hiện tượng tự lắp ráp được kích hoạt bằng cách làm bốc hơi nhanh chóng một dung dịch ống nano cacbon.

Thành tựu gần đây nhất của nhóm đã cho thấy các ống nano cacbon có thể thay thế các bóng bán dẫn silic trong các chip máy tính và các thiết bị thông tin liên lạc tần số cao.

“Đây không phải là một cải tiến làm tăng hiệu suất”, Arnold cho biết. “Với kết quả  nghiên cứu này, chúng tôi đã thực sự tạo ra sự nhảy vọt trong lĩnh vực bóng bán dẫn ống nano cacbon. Các bóng bán dẫn nano cacbon của chúng tôi dẫn điện tốt hơn một bậc (10 lần) so với các bóng bán dẫn màng mỏng thương mại hiện nay trong khi vẫn đóng - mở giống như các bóng bán dẫn đảm nhiệm chức năng hoạt động”.