Carbon nanotube transistor reveals

Carbon nanotube transistor reveals charge transfer and phase changes in physisorbed atoms
By Adam Hill
Materials Research Society | Published: 27 July 2015


Carbon nanotubes (CNTs) are well known for their attractive combination of properties: high strength and electrical conductivity from simple carbon. Scientists at the University of Washington have added a new talent to the abilities of the CNT: detecting the presence of a single atom. In the process, the researchers also used surface atoms dotting the nanotube as a testing ground for simple theoretical models of how atoms interact. Demonstrating and measuring these behaviors could lead to new sensors and devices based on more than just a clever mechanical design; these devices would also help to advance the field of condensed-matter physics. David Cobden, whose research group performed the experiment, says, “This could be (and I think it is) the most ideal and powerful system created to date for establishing a number of basic facts about how simple atoms/molecules weakly interact with a surface.”

The experiment centers on a miniature version of a transistor. By building a transistor from a single carbon nanotube, events occurring on the surface of the nanotube were connected to more easily measurable values, including the current and voltage of the transistor.

The experimental transistor consists of two nanoscale silicon nitride and silicon dioxide cliffs, with a carbon nanotube spanning the trench between them. The surrounding chamber was then filled with a variety of gases, including noble gases like argon and xenon, and common atmospheric gases, like nitrogen, carbon dioxide, and oxygen. Earlier work by other researchers had already shown that the atoms physisorb to carbon nanotubes, weakly adhering to the surface, subtly altering mechanical properties of the nanotube, such as vibrational characteristics.

To see if the atoms also changed the electronic properties of the nanotube, the voltage applied to the CNT transistor was raised until the transistor was almost, but not quite, conducting electricity. When an atom or molecule of the surrounding gas landed on the CNT surface, it donated a tiny amount of its cloud of electrons to the tube. The extra electrons help to bridge the gap, and the transistor allows current to flow. The current measurement was so sensitive that this effect could be detected by the addition of even a single atom to the surface.

Though the researchers expected the identity of the physisorbed gas to affect the current flow through the transistor, this turned out to be a relatively small effect; the atoms of gas behaved in very similar ways when placed on the surface of the tube.

Changes in the molecules on the CNT surface were monitored while the voltage, current, temperature, and pressure were independently varied in the system. “What is possible hinges on our approach of controlling the gas pressure and temperature in thermal equilibrium with the nanotube,” said David Cobden. This effort in characterizing the full behavior of atoms on the CNT surface revealed hysteretic behavior: when adjusting a parameter like voltage up and down, the nanotube did not show the same pattern going forwards and backwards.

This served as evidence of a phase change. The atoms stuck to the surface of the CNT were forming different phases (sometimes stuck together, sometimes moving around separately). Atoms moving on a grid-like surface (the web-like structure of carbon atoms in the nanotube, in this experiment) are directly related to a common physics problem called an Ising model. This theoretical model describes the behavior of particles in a lattice-like grid. Though originally developed to describe ferromagnetism, the Ising model turned out to describe the behavior of many different systems and how they respond to changes in external conditions. The Ising model for a two-dimensional system is one of the simplest models that show phase transition behavior. The CNT transistor became a setting to see an Ising model in the real world, and see its hypotheses in action.

“It’s an interesting experiment, and important to the field to molecular electronics,” said William C. Floyd III, new product development manager at Ethox Chemicals.

The results of this experiment can help in the design of new, highly accurate gas sensors, and in developing a deeper understanding of graphene-based electronics.

Read the abstract in Nature Physics.

Kết quả (Việt) 1:

Carbon nanotube transistor reveals charge transfer and phase changes in physisorbed atomsBy Adam HillMaterials Research Society | Published: 27 July 2015Carbon nanotubes (CNTs) are well known for their attractive combination of properties: high strength and electrical conductivity from simple carbon. Scientists at the University of Washington have added a new talent to the abilities of the CNT: detecting the presence of a single atom. In the process, the researchers also used surface atoms dotting the nanotube as a testing ground for simple theoretical models of how atoms interact. Demonstrating and measuring these behaviors could lead to new sensors and devices based on more than just a clever mechanical design; these devices would also help to advance the field of condensed-matter physics. David Cobden, whose research group performed the experiment, says, “This could be (and I think it is) the most ideal and powerful system created to date for establishing a number of basic facts about how simple atoms/molecules weakly interact with a surface.”The experiment centers on a miniature version of a transistor. By building a transistor from a single carbon nanotube, events occurring on the surface of the nanotube were connected to more easily measurable values, including the current and voltage of the transistor.Bóng bán dẫn thử nghiệm bao gồm hai Nano silic nitrua và điôxít silic vách đá, với một nanotube carbon bao trùm rãnh giữa chúng. Phòng xung quanh sau đó đã được lấp đầy với một loạt các khí, bao gồm cả khí hiếm như argon và xenon, và phổ biến các loại khí trong khí quyển, như nitơ, điôxít cacbon và ôxy. Các công việc trước đó bởi các nhà nghiên cứu khác có đã chỉ ra rằng physisorb nguyên tử để ống nano cacbon, yếu tôn trọng những bề mặt, tinh tế làm thay đổi các tính chất cơ học của nanotube, chẳng hạn như rung động đặc điểm. Để xem liệu các nguyên tử cũng thay đổi các tính chất điện tử của nanotube, điện áp được áp dụng cho CNT transistor đã được nâng lên cho đến khi bóng bán dẫn đã gần như, nhưng không khá, tiến hành điện. Khi một nguyên tử hay các phân tử khí xung quanh hạ cánh trên bề mặt CNT, nó đã tặng một số tiền nhỏ của đám mây của các điện tử để ống. Các điện tử phụ giúp thu hẹp khoảng cách, và transistor cho phép hiện tại chảy. Đo lường hiện tại là rất nhạy cảm này có hiệu lực có thể được phát hiện bằng cách bổ sung ngay cả một nguyên tử trên bề mặt.Mặc dù các nhà nghiên cứu dự kiến danh tính khí physisorbed ảnh hưởng đến dòng chảy hiện tại thông qua bóng bán dẫn, điều này hóa ra là một hiệu ứng tương đối nhỏ; Các nguyên tử của khí hành xử theo những cách rất giống nhau khi đặt trên bề mặt của ống.Changes in the molecules on the CNT surface were monitored while the voltage, current, temperature, and pressure were independently varied in the system. “What is possible hinges on our approach of controlling the gas pressure and temperature in thermal equilibrium with the nanotube,” said David Cobden. This effort in characterizing the full behavior of atoms on the CNT surface revealed hysteretic behavior: when adjusting a parameter like voltage up and down, the nanotube did not show the same pattern going forwards and backwards.This served as evidence of a phase change. The atoms stuck to the surface of the CNT were forming different phases (sometimes stuck together, sometimes moving around separately). Atoms moving on a grid-like surface (the web-like structure of carbon atoms in the nanotube, in this experiment) are directly related to a common physics problem called an Ising model. This theoretical model describes the behavior of particles in a lattice-like grid. Though originally developed to describe ferromagnetism, the Ising model turned out to describe the behavior of many different systems and how they respond to changes in external conditions. The Ising model for a two-dimensional system is one of the simplest models that show phase transition behavior. The CNT transistor became a setting to see an Ising model in the real world, and see its hypotheses in action. “It’s an interesting experiment, and important to the field to molecular electronics,” said William C. Floyd III, new product development manager at Ethox Chemicals.The results of this experiment can help in the design of new, highly accurate gas sensors, and in developing a deeper understanding of graphene-based electronics.Read the abstract in Nature Physics.

Kết quả (Việt) 2:

Carbon ống nano bán dẫn tiết lộ chuyển giao phụ trách và pha của các nguyên tử physisorbed
By Adam Hill
liệu Nghiên cứu Xã hội | Published: 27 Tháng bảy 2015 ống nano carbon (CNTs) cũng được biết đến với sự kết hợp hấp dẫn của họ về tính chất: cường độ cao và độ dẫn điện từ carbon đơn giản. Các nhà khoa học tại Đại học Washington đã thêm một tài năng mới để các khả năng của CNT: phát hiện sự hiện diện của một nguyên tử đơn. Trong quá trình này, các nhà nghiên cứu cũng sử dụng các nguyên tử bề mặt nằm rải rác các ống nano là một thử nghiệm cho mô hình lý thuyết đơn giản về cách các nguyên tử tương tác. Thể hiện và đo lường những hành vi này có thể dẫn đến cảm biến mới và các thiết bị dựa trên nhiều hơn chỉ là một thiết kế cơ khí thông minh; các thiết bị này cũng sẽ giúp thúc đẩy các lĩnh vực vật lý chất ngưng tụ. David Cobden, mà nhóm nghiên cứu thực hiện các thí nghiệm, nói: "Đây có thể (và tôi nghĩ rằng đó là) hệ thống lý tưởng nhất và mạnh mẽ tạo ra cho đến nay để thiết lập một số thông tin cơ bản về cách đơn giản nguyên tử / phân tử yếu tương tác với một bề mặt . "Các thí nghiệm tập trung vào một phiên bản thu nhỏ của một bóng bán dẫn. Bằng cách xây dựng một bóng bán dẫn từ một ống nano carbon duy nhất, các sự kiện xảy ra trên bề mặt của ống nano đã được kết nối dễ dàng hơn các giá trị đo lường được, bao gồm cả hiện tại và điện áp của bóng bán dẫn. Các transistor thử nghiệm bao gồm hai nitride silicon và silicon dioxide vách đá có kích thước nano, với một ống nano carbon bắc qua rãnh giữa chúng. Các buồng xung quanh sau đó đã được lấp đầy với một loạt các chất khí, bao gồm các khí trơ như argon và xenon, và các khí trong khí quyển thông thường, như nitơ, carbon dioxide và oxy. Trước đó công trình của các nhà nghiên cứu khác đã chỉ ra rằng các nguyên tử physisorb để các ống nano carbon, yếu ớt bám vào bề mặt, tinh tế làm thay đổi tính chất cơ học của ống nano, chẳng hạn như đặc điểm rung động. Để xem các nguyên tử cũng thay đổi các tính chất điện tử của ống nano, các điện áp áp dụng cho các transistor CNT đã được nâng lên cho đến khi các transistor là gần như, nhưng không hoàn toàn, dẫn điện. Khi một nguyên tử hay phân tử của chất khí xung quanh đã hạ cánh trên bề mặt CNT, nó tặng một số lượng nhỏ của đám mây electron vào ống. Các electron phụ giúp thu hẹp khoảng cách, và các bóng bán dẫn cho phép dòng điện. Các phép đo hiện tại rất nhạy cảm mà hiệu ứng này có thể được phát hiện bằng cách cho thêm ngay cả một đơn nguyên tử bề mặt. Mặc dù các nhà nghiên cứu dự kiến sẽ nhận dạng của khí physisorbed để ảnh hưởng đến dòng chảy qua các bóng bán dẫn, điều này hóa ra lại là một tương đối ảnh hưởng nhỏ; các nguyên tử khí cư xử theo những cách rất giống nhau khi được đặt trên bề mặt của ống. Những thay đổi trong các phân tử trên bề mặt CNT đã được theo dõi trong khi điện áp, dòng điện, nhiệt độ, áp suất đã được thay đổi một cách độc lập trong hệ thống. "Những gì là có thể xoay quanh cách tiếp cận của chúng tôi kiểm soát áp suất khí và nhiệt độ ở trạng thái cân bằng nhiệt với các ống nano," David Cobden nói. Nỗ lực trong việc mô tả các hành vi đầy đủ của các nguyên tử trên bề mặt CNT này tiết lộ hành vi hysteretic:. Khi điều chỉnh thông số như điện áp lên xuống, các ống nano không cho thấy cùng một khuôn mẫu đi tới lui này phục vụ như là bằng chứng của một giai đoạn thay đổi. Các nguyên tử bị mắc kẹt vào bề mặt của CNT được hình thành giai đoạn khác nhau (đôi khi bị dính với nhau, đôi khi di chuyển xung quanh một cách riêng biệt). Nguyên tử di chuyển trên một bề mặt dạng lưới (các cấu trúc giống như mạng của các nguyên tử carbon trong các ống nano, trong thí nghiệm này) có liên quan trực tiếp đến một vấn đề vật lý thông thường được gọi là một mô hình Ising. Mô hình lý thuyết mô tả hành vi của các hạt trong một mạng lưới mạng giống như. Mặc dù ban đầu được phát triển để mô tả tính sắt từ, các mô hình Ising bật ra để mô tả hành vi của nhiều hệ thống khác nhau và cách họ phản ứng với những thay đổi trong điều kiện bên ngoài. Các mô hình Ising cho một hệ thống hai chiều là một trong những mô hình đơn giản nhất cho thấy hành vi giai đoạn chuyển tiếp. Các transistor CNT đã trở thành một thiết lập để xem một mô hình Ising trong thế giới thực, và thấy giả thuyết của mình trong hành động. "Đây là một thử nghiệm thú vị, và quan trọng đối với các lĩnh vực để điện phân tử," William C. Floyd III, giám đốc phát triển sản phẩm mới nói tại Ethox Hóa chất. Các kết quả của thí nghiệm này có thể giúp đỡ trong việc thiết kế, cảm biến khí chính xác cao mới, và trong việc phát triển một sự hiểu biết sâu sắc hơn về thiết bị điện tử gốc graphene. Đọc trừu tượng Nature Physics.