Kohlenstoff Nanomaterials für das Konstruieren der Zukünftigen Grünen Elektronik

Durch Kaustav Banerjee

Kaustav Banerjee, Professor der Elektrischer und Computertechnik und Direktor des Nanoelectronics-Forschungs-Labors an UC Santa Barbara. Entsprechender Autor: kaustav@ece.ucsb.edu

die Niedrig-Maßallotrope des Kohlenstoffes (einschließlich zweidimensionales graphene und eindimensionale Kohlenstoff nanotubes und graphene nanoribbons), zusammen bekannt als Kohlenstoff Nanomaterials, haben außerordentliche physikalische Eigenschaften, die für ihre aufregenden Aussichten in einer Vielzahl von Elektronikanwendungen ausgenutzt werden können.

Insbesondere können diese Nanomaterials verwendet werden, um die Kleinleistungs-, dämpfungsärmen und ultra Energiesparenden aktiven und passiven nanoelectronic Einheiten zu konstruieren, die zu beispiellose Niveaus der Integrationsdichte und -Energieeffizienz in kommenden Generationen von integrierten Schaltungen und von elektronischen Produkten infolgedessen führen können.

Die Zellen aller Kohlenstoff Nanomaterials können von dem von graphene berechnet werden, das ein einzel-Atom-starkes planares Blatt von den SP-geklebten2 Kohlenstoffatomen ist, die in einem Kristallgitter der Bienenwabe gepackt werden (Fig. 1a).

Ein graphene nanoribbon (GNR) kann erreicht werden, indem man graphene in ein Band kopiert, während ein Kohlenstoff nanotube (CNT) für gehalten werden kann gerollt worden herauf Band, um ein nahtloses Gefäß zu bilden.

Die Bandzelle von graphene hat eindeutige Eigenschaften: die Beziehung der Energiedispersion (oder einfach E-k) ist die Fermi-Energiestufe lineares nahes und führt zur null effektiven Masse für Elektronen und Löcher und dadurch zu extrem hohe Ladungsträgerbeweglichkeit (> 10000 cm/V-s2).

Einige Schlüsseleigenschaften dieser Kohlenstoff Nanomaterials werden in der Tabelle I zusammen mit denen einiger geläufiger Halbleiter und des Metalls (Cu) umrissen und zeigen ihr großes Potenzial in den zukünftigen Elektronikanwendungen1 an. In den folgenden Paragraphen umreißen wir kurz und markieren die Aussichten von Kohlenstoff Nanomaterials für das Konstruieren „der grünen“ Elektronik der nächsten Generation.

Fig.1. (a) Die Atomzelle von CNT und GNR, die von einem graphene berechnet werden, bedecken. (b) Ein 2-Zoll- Wafer-Größe graphene gewachsen auf Nickel im Nanoelectronics-Forschungslabor (NRL) an UCSB. (c) Selektives Kohlenstoff nanotube Wachstum verwendet, um das Muster von NRL-Zeichen zu bilden.

Si

GaAs

GaN

Cu

SWCNT

MWCNT

Graphene oder GNR

Maximale Stromdichte (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

Schmelzpunkt (K)

1687

1513

2773

1357

3800 (Graphit)

 

 

Dehnfestigkeit (GPa)

7

75

204

0,22

22.2±2.2

11-63

 

Mobilität (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (für die Tieflackierung)

1100

-

>10000

 

>10000

Wärmeleitfähigkeit ('103 W/m-K)

0,15

0,055

0,13

0,385

1.75-5.8

3

3-5

Temperatur Koeffizient Widerstand ('10-3 /K)

-

-

-

4

<1.1

-1,37

-1,47

Raumtemperatur der Mitlleren freien Weglänge (nm) @

30

~ 300 nm (für Heterostruktur AlGaAs/GaAs)

~ 20 - 30 nm (für AlGaN-/GaNHeterostruktur)

40

>103

2,5' 104

1' 103

Tabelle I. Eigenschaften von Kohlenstoff Nanomaterials (einzel-ummauertes CNT (SWCNT), mehrwandiges CNT (MWCNT) und graphene nanoribbon (GNR)) im Vergleich zu denen einiger Halbleiter (Si, GaAs und GaN) und des Metalls (Cu) verwendet für verschiedene Elektronikanwendungen.

Kleinleistungshochgeschwindigkeits Verbindet sich untereinander

Die Metallverbindungen, die als Nachrichtenverbindungen zwischen Milliarden Transistoren in den modernen integrierten Schaltungen (IS) verwendet werden sind gekommen, den Mittelpunkt zu besetzen, wenn sie die Leistung und die Verlustleistung von elektronischen Chips wie Mikroprozessoren bestimmten2,3.

Eine typische leistungsstarke IS setzt einige Schichten Metall sich untereinander verbindet getrennt durch Isolierstoffe ein, wenn „die Kurzkabel“ für lokale Nachrichtenübermittlung und „die Langdrähte eingesetzt sind“, die für globale Nachrichtenübermittlung innerhalb eines Chips verwendet werden.

Interconnects werden auch für das Verteilen der Taktsignale während des Chips verwendet und bekannt, um für vorbei 50% der Verlustleistung in den meisten IS verantwortlich zu sein. Es ist gezeigt worden, dass die Verzögerung von globalem kann um bis 50% verringert werden sich untereinander verbindet, wenn CNT zusammenrollt, oder mehrschichtiges Graphene werden beschäftigt sich untereinander verbindet4-6. Unterdessen wenn die Verzögerung von CNT/Graphene sich untereinander verbindet, werden an der gleichen optimalen Verzögerung des Metalls (Cu) sich untereinander verbindet, CNT/Graphene sich untereinander verbindet würde verringern die globale Verbindungs-Leistungsaufnahme um 50% gehalten, das mit dem von Cu verglichen wird, sich untereinander verbindet7.

Dämpfungsärme Passive Einheiten

In den ultra Hochfrequenz (mmwelle und Hochfrequenz) Anwendungen verbindet sich die erhöhten Verluste, die passend sind zu behäuten und die Näherungseffekte in IS untereinander und passive Einheiten können zur Verringerung der Energieeffizienz der elektronischer Schaltungen und der Produkte auch beträchtlich beitragen.

CNT/Graphene verbindet sich sind gezeigt worden, um eindeutiges Hochfrequenzverhalten (verringerten Skineffekt) wegen ihrer großen Impulsentspannungszeit aufzuweisen untereinander und zeigt versprechende Hochfrequenzanwendungen8,9 an. Zum Beispiel ist es dass der maximale Q-Faktor (eine metrische mengenmäßig bestimmende Induktor-Leistungsfähigkeit) eines ¾ gezeigt worden - Drehungsinduktor kann um 230% (3,3mal) und 32% (1,3mal) indem man Cu durch CNTs und graphene soviel wie erhöht werden, beziehungsweise ersetzt 8,10.

CNTs bekannt auch, um ausgezeichnete thermische Eigenschaften (Tabelle 1) zu haben und im Licht des Nutzens, den sie für ultra Hochfrequenzoperation anbieten, versprechen sie auch als Durch-Silikon Vias (TSV) 11 --eine aktivierende Schlüsseltechnologie für 3 dimensional (3D) - IS.

3-D IS dürfen von den mehrfachen aktiven Schichten (Substratflächen) stapeln und kleben und werden in viele Halbleiterfirmen auf der ganzen Welt wegen ihrer Kleinleistungsaussichten (resultierend aus ihren verringerten Verbindungslängen) und der Möglichkeit der heterogenen Integration der unvereinbaren Technologien (Si, III-V, Graphene) und der Schaltungen ausgeübt (digital, analog, HF, Optik, usw.) 12.

Energiespeicherungs-Einheiten mit hoher Schreibdichte

Für Metall-Isolatormetallkondensator (MIM)auslegungen mit hoher Schreibdichte ist es gezeigt worden, dass die Kapazitätsdichte von CNT-basierten Kondensatoren wie 38,39 fF/μm so hoch erreichen kann2, viel größer als die Internationale Technologie-Straßenkarte für Anforderung der Halbleiter (ITRS) von 12fF/μm2 für das Jahr 20221 und ihr ausgezeichnetes Potenzial anzeigen, Kondensatoren des Stroms MIM sowie andere Aufchip Ladungsspeicher basierte Einheiten auszutauschen.

Graphene hat auch als Elektrodenmaterialien in supercapacitor Anwendungen wegen seines großen Oberflächebereiches zum Volumenverhältnis viel versprechend gewesen. Es ist vor kurzem berichtet worden, dass graphene basierte supercapacitors eine spezifische Energiedichte von 85,6 W aufweisen·h/kg bei Zimmertemperatur, viel höher als das von herkömmlichen Bleibatterien (gewöhnlich 30 bis 40 W·h/kg)13.

Ultra Energiesparende Aktive Einheiten

Vor kurzem, hat die Halbleiterindustrie erneuerte Zinsen an den ultra Energiesparenden Transistoren gezeugt. Dieses wird durch den Bedarf, einen Austauschschalter für den nanoscale MOSFET zu finden getrieben, der das Arbeitspferd der IS-Industrie bildet, aber leidet unter der in zunehmendem Maße hohen Ausschaltleckage, dadurch sehr macht man es Energie ineffizient.

Ein Schlüsselforschungsziel im Bereich der ultra Energiesparenden Transistorauslegung ist die Auslegung und die Vorführung von kleinen subthreshold Schwingen (SS)schaltern (einschließlich Tunnelbereich Effekttransistoren (T-FET) und (NEM) Nanoelectromechanical-FET) das EIN WEG von zum Schalten plötzlicheres macht und Leckagestrom verringert, als etwaiger Austausch für den MOSFET14,15.

Jedoch dieses eine Wirklichkeit, sind Vorführung kompakten, ersteigbaren und zuverlässigen T-FETs/NEM-FETs mit Hoch (MOSFET mögen), AUF Strom zu machen und niedrig WEG vom Strom an den niedrigen Stromversorgungsspannungen, die für das Aufbauen von umfangreichen von Logikschaltungen und Anlagen geeignet sind, sehr wünschenswert.

CNT und GNR sind ausgezeichnete Materialien für das Konstruieren solcher Energiesparenden aktiven Einheiten für zukünftige grüne Elektronik.

Zum Beispiel ist die hohe Mobilität und das niedrige bandgap von graphene ausgenutzt worden, um einen GNR basierten Heterojunction T-FET zu konstruieren so, der hochON I wie 1 mA/μm, I-/IverhältnisONOFF so hoch wie 109 und SS so klein sind wie 10 mV/dec an V=0.5 VDD und an L=20 nmch aufweist16. Außerdem ist das Verständnis der Physik (BTBT) des Band-zu-Band-Tunnelbaus, der zum Konstruieren von T-FETs mit jedem möglichem Material Schlüssel ist, gezeigt worden, durch GNR basierte T-FETs leicht aktiviert zu werden17. Andererseits ist CNT ein ausgezeichnetes Material für das Konstruieren von den Ohne Gegenstimmen-FETs wegen ihrer Privatmessedichte und hohen Elastizitätsmoduls18.

Hoch-Leistungsfähigkeit Photovoltaics

Das Effiziente Ernten der Solarenergie durch neue photo-voltaische Einheiten ist für Weltmaßstabreduzierung von Gasen des grünen Hauses kritisch. Folglich die Leistungsfähigkeit von photo-voltaischen Einheiten ist zu erhöhen ein Schlüsselforschungsziel im Bereich der Solarzellenauslegung geworden.

Ist zwei Größenordnungen Verbesserung des photocurrent Resultierens aus dem Hinzufügen von Einzel-Ummauertem CNTs (SWCNTs) einer poly-3-octylthiophene (P3OT) Grundmasse in einer organischen Solarzelle berichtet worden19.

Es ist auch berichtet worden, dass die Anwendung von SWCNTs, wie das Leiten von Gestellen in einem TiO2 Farbstoffsolarzelle basierte, die photoconversion Leistungsfähigkeit verdoppeln kann20.

Interessanter, ist die extrem effiziente mehrfache Elektron-Loch-Paar-Generation in CNT wegen der optischen Erregung in den zweiten Subband die Möglichkeit des Überschreitens der thermodynamischen Grenze (Shockley-Queisser) vorschlagend beobachtet worden21. Es gibt auch viele Zinsen, an, CNT/graphene einzusetzen als transparente Elektroden für Solarzelle und LED-Anwendungen22-24.

Bezüge:

  1. H. Verbindet sich Li, C. Xu, N. Srivastava und K. Banerjee, „Kohlenstoff Nanomaterials für Zukünftiges und Passive untereinander: Physik, Status und Aussichten,“ IEEE-Transaktionen auf Elektron-Einheiten, Vol. 56, Nr. 9, S. 1799-1821, Im September 2009.
  2. K. Banerjee und A. Mehrotra, „Globale (Verbindung) Erwärmung,“ IEEE-Schaltungs-und Einheits-Zeitschrift, pp.16- 32, 2001.
  3. K. Verbindet sich Banerjee und A. Mehrotra, „ein Macht-Optimales Verstärker-Einfügungs-Verfahren für Globales in den Nm-Auslegungen,“ IEEE-Transaktionen auf Elektron-Einheiten, Vol. 49, Nr. 11, S. 2001-2007, Im November 2002 untereinander.
  4. N. Srivastava, H. Li, F. Kreupl und K. Banerjee, „Auf der Anwendbarkeit von Einzel-Ummauern Kohlenstoff Nanotubes als VLSI-Verbindungen,“ IEEE-Transaktionen auf Nanotechnologie, Vol. 8, Nr. 4, S. 542-559, Im Juli 2009.
  5. H. Verbindet sich Li, N. Srivastava, W.Y. Yin, K. Banerjee und J.F. Mao, „die Schaltungs-Formung und die Leistungsanalyse des Mehrwandigen Kohlenstoffes Nanotube,“ IEEE-Transaktionen auf Elektron-Einheiten, Vol. 55, Nr. 6, S. 1328-1337, 2008 untereinander.
  6. C. Verbindet sich Xu, H. Li und K. Banerjee, „Formung, Analyse und Auslegung von Graphene-Nano--Band,“ IEEE-Transaktionen auf Elektron-Einheiten, Vol. 56, No.8, S. 1567-1578, 2009 untereinander.
  7. H. Li, C. Xu und K. Banerjee, „Kohlenstoff Nanomaterials: Die Ideale Verbindungs-Technologie für Zukünftige IS,“ IEEE-Auslegung und Prüfung von Computern, Sonderausgabe auf Auftauchenden Verbindungs-Technologien für Gigascale-Integration, Vol. 27, Nr. 4, S. 20-31, Juli Im August 2010.
  8. H. Verbindet sich Li und K. Banerjee, „HochfrequenzAnalyse des Kohlenstoffes Nanotube und Auswirkungen für Auf-Chip Induktor-Auslegung,“ IEEE-Transaktionen auf Elektron-Einheiten, Vol. 56, Nr. 10, S. 2202-2214, 2009 untereinander.
  9. D. Verbindet Sarkar, C. Xu, H. Li und K. Banerjee, „HochfrequenzVerhalten von Graphene-Basiertem - Teil I untereinander: Formender Widerstand,“ IEEE-Transaktionen auf Elektron-Einheiten, Vol. 58, Nr. 3, S. 843-852, 2011.
  10. D. Verbindet Sarkar, C. Xu, H. Li und K. Banerjee, „HochfrequenzVerhalten von Graphene-Basiertem - Teil II untereinander: Widerstand Analyse und Auswirkungen für Induktor Konstruieren,“ IEEE-Transaktionen auf Elektron-Einheiten, Vol. 58, Nr. 3, S. 853-859, 2011.
  11. C. Xu, H. Li, R. Suaya und K. Banerjee, „Kompakte WS Formung und Leistungsanalyse des Durch-Silikons Vias (TSVs) in 3-D IS,“ IEEE-Transaktionen auf Elektron-Einheiten, Vol. 57, Nr. 12, S. 3405-3417, Im Dezember 2010.
  12. K. Banerjee, S.J. Souri, P. Kapur und K.C. Saraswat, „3-D IS: Ein Neuer Chip-Entwurf für das Verbessern der Tiefen Submikron-Verbindungs-Leistung und der Anlage-auf-Chip Integration,“ Verfahren des IEEE, Vol. 89, Nr. 5, S. 602-633, Im Mai 2001.
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Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:56

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