TFT flessibili grazie ai nanotubi di carbonio

Una collaborazione tra ricercatori giapponesi e finlandesi ha permesso di sviluppare una tecnica di processo che può consentire di produrre dispositivi elettronici flessibili ad elevate prestazioni, grazie all'impiego di nanotubi di carbonio e di substrati in materiale plastico.

All'interno del contesto di un progetto collaborativo dell'Industrial Technology Research Grant Japan-Finland del NEDO (New Energy and Industrial Tecnology Development Organization), il professor Yutaka Ohno dell'Università di Nagoya ed il professor Esko I. Kauppinend dell'Università Aalto hanno dimostrato la possibilità di utilizzare un nuovo processo in maniera semplice e rapida e senza aggravi di costi per realizzare TFT (Thin Film Transistor) basati su nanotubi di carbonio impiegando un materiale plastico come substrato. Grazie a questo processoi ricercatori sono stati in grado di realizzare il primo circuito logico sequenziale al mondo impiegando nanotubi di carbonio.

I TFT flessibili sono stati prodotti fino ad oggi impiegando una serie di materiali semiconduttori tra i quali il silicio e l'ossido di zinco, che richiedono tuttavia tecniche di produzione complesse e dispendiose, come la deposizione a vuoto o la reticolazione polimerica ad elevata temperatura. Vi è l'alternativa rappresentata dai semiconduttori organici, che tuttavia sono caratterizzati da una bassa mobilità elettronica hanno qualche problema di stabilità chimica.

I nanotubi di carbonio, proprio grazie ad una maggiore stabilità chimica e ad una più elevata mobilità elettronica, sembrano candidati ideali per la realizzazione di TFT. Le tecniche di produzione di TFT basati su nanotubi di carbonio usate fino ad ora non sono però state in grado di rispondere adeguatamente alle aspettative, dal momento che alcune fasi del processo di produzione vanno a compromettere le proprietà di conduzione dei nanotubi.

Per la realizzazione di TFT basati su nanotubi di carbonio viene di norma impiegato un processo produttivo che prevede la sospensione dei nanotubi all'interno di una soluzione mediante sonicazione (bombardamento di ultrasuoni). In questa maniera i nanotubi riducono la loro lunghezza e, per via della presenza di impurità residue causate dal processo di dispersione, la mobilità del TFT così prodotto risulta essere di 1cm²/Vs. Ne consegue un'elevata difficoltà nella produzione di TFT omogenei e che possano offrire elevate prestazioni.

Il team di ricerca ha invece adottato un approccio differente che prevede dapprima la crescita dei nanotubi utilizzando un normale processo di deposizione di vapori ed in seconda battuta la selezione dei nanotubi ed il loro trasferimento su un substrato polimerico mediante una tecnica di filtrazione a fase gassosa. In questo modo i nanotubi sono scevri da impurità e mantengono la loro lunghezza originaria, permettendo di realizzare TFT dalle maggiori prestazioni con mobilità di 35cm²/Vs. Secondo le dichiarazioni dei ricercatori la filtrazione a fase gassosa permetterebbe inoltre l'impiego di qualunque materiale substrato.

Le prestazioni raggiunte dai TFT che i ricercatori hanno sviluppato con questo metodo sono più elevate rispetto a quelle possibili con i semiconduttori organici e con i TFT basati su nanotubi di carbonio realizzati con altre tecniche. Il livello prestazionale è pari a quello del silicio policristallino a bassa temperatura e ai TFT basati su ossido di zinco, che sono tuttavità prodotti con processi di gran lunga più complessi.

I ricercatori hanno inoltre avuto modo di effettuare alcuni test impiegando i TFT così prodotti per realizzare oscillatori ad anello e flip-flop. E' stato possibile raggiungere operazioni ad elevata velocità con un ritardo di 12 microsecondi per gate logico. I flip-flop così realizzati sono i primi circuiti logici sequenziali sincroni basati su nanotubi di carbonio.