تطبيقات محتملة للأنابيب النانوية الكربونية

الدارات الكهربائية

يمكن للأنبوب النانوي المشكّل عبر وصل نهايتي اثنين من الأنابيب النانوية ذات أقطار مختلفة أن يعمل كثنائي، مما يتيح إمكانية بناء دارات الحاسب بشكل كامل من الأنابيب النانوية. وبسبب خصائصها الجيدة في نقل الحرارة يمكن للأنابيب النانوية الكربونية أن تبدد الحرارة الناتجة عن شرائح الحاسب. ويعادل طول أطول دارة ناقلة للكهرباء أجزاء من الإنش.
تشكل صعوبات التصنيع عقبة كبيرة أمام الأنابيب النانوية الكربونية. تستخدم عمليات تصنيع الدارات المتكاملة القياسية ترسب البخار الكيميائي لإضافة طبقات إلى الرقاقة. ولكن لم يتم إنتاج الأنابيب النانوية الكربونية بشكل كبير باستخدام هذه الطرق بعد.
يمكن للباحثين التعامل مع الأنابيب النانوية بشكل افرادي باستخدام مجهر قوة ذرية في عملية تستغرق وقتاً طويلاً. ولا يزال استخدام طرائق التصنيع القياسية يتطلب من المصممين وضع إحدى نهايتي الأنبوب النانوي، وخلال عملية الترسيب يمكن لحقل كهربائي أن يوجه نمو الأنابيب النانوية، والتي بدورها تميل إلى النمو على طول خطوط الحقل من القطبية السالبة إلى القطبية الموجبة. كطريقة أخرى للتجميع الذاتي يمكن استخدام طرق كيميائية أو حيوية لتحريك الأنابيب النانوية الكربونية كحل لتحديد الأماكن على الطبقة الأساسية.
ولكن حتى لو كان توضيع الأنابيب النانوية بدقة ممكناً، يبقى المهندسون غير قادرين على التحكم بأنواع الأنابيب النانوية الناتجة (ناقلة، شبه موصل، أحادية الجدار، عديدة الجدر).

التوصيلات الداخلية

أثارت الأنابيب النانوية الكربونية المعدنية اهتمام الباحثين بما تملكه من تطبيقات، ومن هذه التطبيقات التوصيلات ذات تكامل النطاق الواسع جدا VLSI وذلك لما تملكه من استقرار حراري كبير، ناقلية حرارية عالية، وسعة نقل التيار الكبيرة.
يمكن لأنبوب نانوي كربوني معزول أن ينقل كثافة تيار تتجاوز 1000 ميلي أمبير / سنتيمتر مربع دون أي خسائر حتى في درجات الحرارة المرتفعة 250ᵒ درجة سلسيوس، مما يحد من مخاوف الوثوقية المتعلّقة بالارتحال الكهربائي التي تعاني منها توصيلات النحاس. وقد أظهرت نماذج عمل حديثة بعد مقارنتها للطريقتين أن توصيلات حزم الأنابيب النانوية الكربونية تقدم مزايا أفضل من توصيلات النحاس.
وقد أظهرت تجارب حديثة مقاومة منخفضة تصل إلى 20 أوم باستخدام بنى مختلفة 
كماأظهرت قياسات مفصّلة للناقلية أجريت على نطاق واسع من الحرارة توافقاً مع نظرية ناقل شبه أحادي البعد غير منتظم.
توفر التوصيلات المختلطة التي توظف الأنابيب النانوية الكربونية بالإضافة إلى توصيلات النحاس مزايا من حيث الوثوقية والإدارة الحرارية.

الترانزستورات

تم استخدام الأنابيب النانوية الكربونية شبه الموصلة في تصنيع ترانزستورات المفعول المجالي CNTFET، والتي أظهرت بعض المزايا تعود إلى خصائصها الكهربائية الجيدة مقارنة مع ترانزستورات المفعول المجالي ذو شبه موصّل من أكسيد ومعدن MOSFET المعتمدة على السيليكون. وبما أن متوسط المسار الحر للالكترون في الأنابيب النانوية الكربونية احادية الجدار يمكن أن يتجاوز 1 ميكرومتر، وترانزستورات المفعول المجالي ذات الأنابيب النانوية الكربونية طويلة القناة تبدي خصائص قريبة من النقل القذفي، مما ينتج أجهزة عالية السرعة. ومن المتوقع أن تعمل أجهزة الأنابيب النانوية الكربونية مجال ترددي من مئات الغيغا هرتز. كما أظهرت بعض الدراسات الحديثة التي أوضحت مزايا ومساوئ الأشكال المختلفة من ترانزستورات المفعول المجالي ذات الأنابيب النانوية الكربونية أن ترانزستورات المفعول المجالي ذات الأنابيب النانوية الكربونية النفقية توفر خصائص أفضل بالمقارنة مع البنى الأخرى. وقد وجد أن هذا الجهاز يتفوق من حيث منحني العتبة الفرعية- وهي خاصية مهمة في التطبيقات ذات الطاقة المنخفضة.
تنمو الأنابيب النانوية عادة على جزيئات نانوية من معدن مغناطيسي (حديد Fe،كوبلت Co) مما يسّهل إنتاج أجهزة دورانية الكترونية spintronic. وقد أجري تحكم بالتيار عبر ترانزستور مقعول مجالي باستخدام حقل مغناطيسي في بنية نانوية أحادية الأنبوب.

التصميم الالكتروني وأتمتة التصميم

على الرغم أن أجهزة الأنابيب النانوية الكربونية وتوصيلاتها قد أثبتت جودتها كل على حدا حسب خواص كل منها، إلا أن القليل من الجهود التي حاولت ربطهم ضمن دارة حقيقية. معظم بنى ترانزستورات المفعول المجالي ذات الأنابيب النانوية الكربونية تستخدم أساس من السيليكون كبوابة خلفية. وإن تطبيق جهود مختلفة على البوابة الخلفية يمكن أن يسبب بعض المخاوف عند تصميم دارات كبيرة من هذه العناصر. لذلك فقد طرحت العديد من البنى ذات البوابة العليا لتجنب هذه المخاوف. وقد أبلغ حديثاً عن بناء دارة منطقية متكاملة بشكل كامل على أنبوب نانوي واحد تم فيها استخدام البوابة الخلفية. ينبغي دراسة العديد من التحديات المرتبطة بالعمليات قبل أن تدخل الأجهزة والتوصيلات المعتمدة على الأنابيب النانوية الكربونية خط تصنيع تكامل النطاق الواسعِ جداً الأساسي. وتشمل المشاكل المتبقية عمليات التنقية، الفصل، التحكم عبر الطول، الكايرالية أو اليدوانية chirality والمحاذاة المطلوبة، الموازنة الحرارية المنخفضة، ومقاومة نقاط الاتصال العالية. وقد طرحت العديد من الأفكار المبتكرة لبناء ترانزستورات عملية من شبكات نانوية. وحيث أن ضعف التحكم بالكايرالية ينتج خليطاً من أنابيب نانوية كربونية معدنية وشبه موصلة من أي عملية تصنيع، وأنه من الصعب التحكم باتجاه نمو الأنابيب النانوية الكربونية، فيمكن طرح مصفوفات عشوائية سهلة الإنتاج من الأنابيب النانوية أحادية الجدار لبناء ترانزستورات غشائية رقيقة. ويمكن استخدام هذه الطريقة لبناء ترانزستورات ودارات عملية تعتمد على الأنابيب النانوية الكربونية دون الحاجة لنمو وتجميع دقيق.