Nanomaterials del Carbón para Diseñar Electrónica Verde de la Siguiente-Generación

Por Kaustav Banerjee

Kaustav Banerjee, Profesor de Eléctrico y Ingeniería Informática y Director del Laboratorio de Investigación de Nanoelectronics en UC Santa Barbara. Autor Correspondiente: kaustav@ece.ucsb.edu

los alótropos Inferior-Dimensionales del carbón (graphene bidimensional incluyendo y los nanotubes del carbón y los nanoribbons unidimensionales del graphene), conocidos colectivamente como nanomaterials del carbón, tienen propiedades físicas extraordinarias que se puedan explotar para sus perspectivas emocionantes en una variedad de aplicaciones de la electrónica.

Particularmente, estos nanomaterials se pueden utilizar para diseñar los dispositivos nanoelectronic activos y pasivos de baja potencia, de pequeñas pérdidas y ultra económicos de energía, que pueden por lo tanto llevar a los niveles sin precedentes de densidad y de energía-eficiencia de la integración en generaciones que vienen de circuitos integrados y de productos electrónicos.

Las estructuras de todos los nanomaterials del carbón se pueden derivar del del graphene, que es una hoja planar único-átomo-gruesa de los átomos2 de carbón SP-bajo fianza pila de discos en un cedazo cristalino del panal (Fig. 1a).

Un nanoribbon del graphene (GNR) puede ser obtenido modelando el graphene en una cinta, mientras que un nanotube del carbón (CNT) se puede pensar en como laminado encima de cinta para formar un tubo inconsútil.

La estructura de banda del graphene tiene características únicas: la relación de la dispersión de la energía (o simple E-k) es cercana lineal el nivel de energía de Fermi, llevando a la masa efectiva cero para los electrones y los agujeros, y de tal modo a la movilidad de portador extremadamente alta (> 10000 cm/V-s2).

Algunas propiedades dominantes de estos nanomaterials del carbón se contornean en Tabla I junto con las de algunos semiconductores comunes y de un metal (Cu), indicando su gran potencial en aplicaciones de la electrónica de la siguiente-generación1. En los párrafos siguientes, contorneamos y destacamos abreviadamente las perspectivas de los nanomaterials del carbón para diseñar electrónica del “verde” de la generación siguiente.

Fig.1. (a) La estructura atómica de CNT y GNR derivados de un graphene cubren. (b) Un graphene de 2 pulgadas de la talla del fulminante crecido en el níquel en el Laboratorio de Investigación de Nanoelectronics (NRL) en el UCSB. (c) Incremento Selectivo del nanotube del carbón usado para formar el modelo del logotipo de NRL.

Si

GaAs

GaN

Cu

SWCNT

MWCNT

Graphene o GNR

Densidad corriente Máxima (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

Punto de fusión (k)

1687

1513

2773

1357

3800 (grafito)

 

 

Resistencia a la tensión (GPa)

7

75

204

0,22

22.2±2.2

11-63

 

Movilidad (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (para el doping del ciclón)

1100

-

>10000

 

>10000

Conductividad Térmica ('103 W/m-K)

0,15

0,055

0,13

0,385

1.75-5.8

3

3-5

Coeficiente de Temperatura de Resistencia ('10-3 /K)

-

-

-

4

<1.1

-1,37

-1,47

Temperatura ambiente del camino libre Medio (nanómetro) @

30

~ 300 nanómetro (para la Heteroestructura de AlGaAs/GaAs)

~ 20 - 30 nanómetro (para la Heteroestructura de AlGaN/GaN)

40

>103

2,5' 104

1' 103

Tabla I. Propiedades de los nanomaterials del carbón (CNT único-emparedado (SWCNT), CNT multi-emparedado (MWCNT), y nanoribbon del graphene (GNR)) con respecto a los de algunos semiconductores (Si, GaAs, y GaN) y del metal (Cu) usado para las diversas aplicaciones de la electrónica.

De Alta Velocidad De baja potencia Interconecta

Las interconexiones del Metal usadas como enlaces de comunicaciones entre los mil millones de transistores en los circuitos integrados modernos (ICs) han venido ocupar el lugar central en la determinación del funcionamiento y de la disipación de potencia de virutas electrónicas tales como microprocesadores2,3.

IC de alto rendimiento típico emplea varias capas de metal interconecta separado por los materiales que aíslan, con los “corto-cables” empleados para la comunicación local y los “largo-cables” usados para la comunicación global dentro de una viruta.

Interconnects también se utiliza para distribuir las señales de reloj en la viruta y se conoce para ser responsable encima del 50% de la disipación de potencia en la mayoría de los ICs. Se ha mostrado que el retraso de global interconecta se puede reducir por el hasta 50% si CNT lía o se emplea Graphene de múltiples capas interconecta4-6. Mientras Tanto, si el retraso de CNT/Graphene interconecta se guardan en el mismo retraso óptimo del metal (Cu) interconecta, CNT/Graphene interconecta reduciría el consumo de energía global de la interconexión por el 50% comparado al del Cu interconecta7.

Dispositivos Pasivos De Pequeñas Pérdidas

En (onda de milímetro y radiofrecuencia) aplicaciones ultra de alta frecuencia, las bajas crecientes debidas pelar y los efectos de proximidad en IC interconectan y los dispositivos pasivos pueden también contribuir importante a reducir la energía-eficiencia de circuitos electrónicos y de productos.

CNT/Graphene interconecta se ha mostrado para exhibir el comportamiento de alta frecuencia único (efecto de piel reducido) debido a su tiempo de relajación grande del impulso, indicando aplicaciones de alta frecuencia prometedoras8,9. Por ejemplo, se ha mostrado que el Q-Factor máximo (una eficiencia de cuantificación métrica del inductor) de un ¾ - el inductor del giro se puede aumentar cerca tanto como el 230% (3,3 veces) y el 32% (1,3 veces) reemplazando el Cu por CNTs y el graphene, respectivamente 8,10.

CNTs también se conoce para tener propiedades térmicas excelentes (Cuadro 1) y a la luz de las ventajas que ofrecen para la operación ultra de alta frecuencia, también están prometiendo como Por-Silicio Vias (TSV) 11 --una tecnología de activação dominante para de 3 dimensiones (3D) - ICs.

los ICs tridimensionales permiten el empilar y el pegar de las capas activas múltiples (substratos) y se están persiguiendo en muchas compañías del semiconductor en todo el mundo debido a sus perspectivas de baja potencia (que resultan de sus longitudes reducidas de la interconexión) y a la viabilidad de la integración heterogénea de las tecnologías dispares (Si, III-V, Graphene) y de los circuitos (digital, analogico, RF, la óptica, etc) 12.

Dispositivos de alta densidad del Almacenamiento De Energía

Para los diseños de alta densidad (MIM) del condensador del metal-aislador-metal, se ha mostrado que la densidad de capacitancia de condensadores CNT-basados puede alcanzar tan arriba como 38,39 fF/μm2, mucho más grandes que el Mapa Itinerario Internacional de la Tecnología para el requisito de los Semiconductores (ITRS) del 12fF/μm2 por el año 20221, indicando su potencial excelente de reemplazar los condensadores de la corriente MIM así como otros dispositivos basados carga-almacenamiento de la en-viruta.

Graphene también ha mostrado promesa como materiales del electrodo en las aplicaciones del supercapacitor debido a su superficie-área grande a la relación de transformación del volumen. Ha estado señalado recientemente que los supercapacitors basados graphene exhiben una densidad de energía específica de 85,6 W·h/kg en la temperatura ambiente, mucho más arriba que el de las baterías de plomo convencionales (típicamente 30 a 40 W·h/kg)13.

Dispositivos Activos Ultra Económicos De Energía

Más recientemente, la industria del semiconductor ha atestiguado interés renovado en transistores ultra económicos de energía. Esto es impulsada por la necesidad de encontrar un interruptor del repuesto para el MOSFET del nanoscale, que forma el caballete del trabajo de la industria de IC pero sufre del fuga cada vez más alto del lejos-estado, de tal modo haciendo le mismo energía ineficaz.

Una meta dominante de la investigación en el área del diseño ultra económico de energía del transistor es el diseño y la demostración de los pequeños interruptores subliminales (SS) del voltaje de entrada alternativo (transistores incluyendo del efecto del túnel-campo (T-FET) y (NEM) Nanoelectromechanical-FET) que hace CONECTADO A cambiar más precipitado y reduce la corriente del fuga, como repuesto eventual para el MOSFET14,15.

Sin Embargo, de hacer esto una realidad, la demostración de T-FETs/NEM-FETs compacto, escalable, y seguro con alto (el MOSFET tiene gusto) EN corrientes, e inferior De corrientes en los voltajes inferiores de la potencia-fuente, que son convenientes para construir los circuitos y los sistemas en grande de lógica, es altamente deseable.

CNT y GNR son materiales excelentes para diseñar tales dispositivos activos económicos de energía para la electrónica del verde de la siguiente-generación.

Por ejemplo, la alta movilidad y el bandgap inferior del graphene se ha explotado para diseñar una heterounión basada GNR T-FET que exhibía ION de hasta 1 mA/μm, la relación de transformaciónONOFF de I/I de hasta 109, y los SS tan pequeños como 10 mV/dec en V=0.5DD V, y L=20ch nanómetro16. Por Otra Parte, la comprensión de la física de banda-a-banda-hacer un túnel (BTBT), que es dominante a diseñar los T-FETs con cualquier material, se ha mostrado para ser activada fácilmente por los T-FETs basados GNR17. Por otra parte, CNT es un material excelente para diseñar los NEM-FETs debido a su densidad de la masa inferior y alto módulo De Young18.

Photovoltaics De Gran Eficacia

La cosecha Eficiente de la energía solar a través de los dispositivos fotovoltaicos nuevos es crítica para la reducción global de la escala de los gases de la casa verde. Por Lo Tanto, el aumento de la eficiencia de dispositivos fotovoltaicos se ha convertido en una meta dominante de la investigación en el área del diseño de la célula solar.

Un aumento de dos órdenes de magnitud de resultar photocurrent de agregar CNTs Único-Emparedado (SWCNTs) a una matriz de poly-3-octylthiophene (P3OT) ha estado señalado en una célula solar orgánica19.

También ha estado señalado que usar SWCNTs como conducto andamios en un TiO2 basado tinte-sensibilizó la célula solar puede duplicar la eficiencia del photoconversion20.

Más interesante, la generación de pares múltiple extremadamente eficiente del electrón-agujero se ha observado en CNT debido a la excitación óptica en el segundo subband que sugería la posibilidad de exceder el límite termodinámico (de Shockley-Queisser)21. Hay también lotes de interés en el empleo de CNT/graphene como electrodos transparentes para la célula solar y las aplicaciones del LED22-24.

Referencias:

  1. H. Li, C. Xu, N. Srivastava, y K. Banerjee, los “Nanomaterials del Carbón para la Siguiente-Generación Interconecta y las Voces Pasivas: La Física, Estatus y Perspectivas,” Transacciones de IEEE en los Dispositivos de Electrón, Vol. 56, No. 9, Págs. 1799-1821, Septiembre de 2009.
  2. K. Banerjee y A. Mehrotra, Alimentador “(Interconexión) el Calentarse,” de los Circuitos de IEEE y de los Dispositivos Globales, pp.16- 32, 2001.
  3. K. Banerjee y A. Mehrotra, “Una Metodología Potencia-Óptima de la Inserción del Repetidor para Global Interconecta en Diseños del Nanómetro,” las Transacciones de IEEE en los Dispositivos de Electrón, Vol. 49, No. 11, Págs. 2001-2007, Noviembre de 2002.
  4. N. Srivastava, H. Li, F. Kreupl, y K. Banerjee, “En la Aplicabilidad del Carbón Nanotubes Único-Emparedar como Interconexiones del VLSI,” Transacciones de IEEE en la Nanotecnología, Vol. 8, No. 4, Págs. 542-559, Julio de 2009.
  5. H. Li, N. Srivastava, W.Y. Yin, K. Banerjee, y J.F. Mao, el “Modelado del Circuito y el Análisis de Funcionamiento del Carbón Nanotube Multi-Emparedar Interconecta,” las Transacciones de IEEE en los Dispositivos de Electrón, Vol. 55, No. 6, Págs. 1328-1337, 2008.
  6. C. Xu, H. Li, y K. Banerjee, “Modelado, Análisis y Diseño de la Nano-Cinta de Graphene Interconecta,” las Transacciones de IEEE en los Dispositivos de Electrón, Vol. 56, No.8, Págs. 1567-1578, 2009.
  7. H. Li, C. Xu, y K. Banerjee, “Nanomaterials del Carbón: La Tecnología Ideal de la Interconexión para la Siguiente-Generación ICs,” Diseño y Prueba de Ordenadores, Edición Especial de IEEE en las Tecnologías Emergentes de la Interconexión para la Integración de Gigascale, Vol. 27, No. 4, Págs. 20-31, Julio Agosto de 2010.
  8. H. Li y K. Banerjee, “Análisis De Alta Frecuencia del Carbón Nanotube Interconecta y las Implicaciones para el Diseño del Inductor de la En-Viruta,” las Transacciones de IEEE en los Dispositivos de Electrón, Vol. 56, No. 10, Págs. 2202-2214, 2009.
  9. D. Sarkar, C. Xu, H. Li, y K. Banerjee, “Comportamiento De Alta Frecuencia de Graphene-Basado Interconecta - la Parte I: Impedancia Que Modela,” Transacciones de IEEE en los Dispositivos de Electrón, Vol. 58, No. 3, Págs. 843-852, 2011.
  10. D. Sarkar, C. Xu, H. Li, y K. Banerjee, “Comportamiento De Alta Frecuencia de Graphene-Basado Interconecta - la Parte II: El Análisis y las Implicaciones de la Impedancia para el Inductor Diseñan, las” Transacciones de IEEE en los Dispositivos de Electrón, Vol. 58, No. 3, Págs. 853-859, 2011.
  11. C. Xu, H. Li, R. Suaya y K. Banerjee, “Modelado de la CA y Análisis de Funcionamiento Compactos del Por-Silicio Vias (TSVs) en los ICs tridimensionales,” Transacciones de IEEE en los Dispositivos de Electrón, Vol. 57, No. 12, Págs. 3405-3417, Diciembre de 2010.
  12. K. Banerjee, S.J. Souri, P. Kapur, y K.C. Saraswat, “ICs tridimensionales: Un Diseño de Chips Nuevo para Mejorar Funcionamiento de la Interconexión del Submicron y la Integración Profundos de la Sistema-en-Viruta,” Procedimientos del IEEE, Vol. 89, No. 5, Págs. 602-633, Mayo de 2001.
  13. C. Liu, Z. Yu, D. Neff, A. Zhamu, y B.Z. Jang, “Graphene-Basaron Suppercapacitor con una Densidad de Energía Ultraalta,” las Cartas Nanas, Vol. 10, Págs. 4863-4868, 2010.
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  15. Y. Khatami y K. Banerjee, “Declive Subliminal Escarpado n y p-tipo Dispositivos del Túnel-FET para los Circuitos de Digitaces De baja potencia y Económicos De Energía,” Transporte de IEEE. Dispositivos de Electrón, Vol. 56, Págs. 2752-2761, 2009.
  16. Y. Khatami, M. Krall, H. Li., C. Xu., K. Banerjee, “Graphene Basó los Túnel-FETs de la Heteroestructura para los ICs De Baja Tensión/De Alto Rendimiento,” la 68.a Conferencia de la Investigación del Dispositivo (DRC), 2010, Págs. 65-66.
  17. D. Sarkar, M. Krall, y K. Banerjee, “Dualidad del Electrón-Agujero Durante Proceso el Hacer Un Túnel de la Banda-a-Banda en Transistores del Túnel-Campo-Efecto de Graphene-Nanoribbon,” Cartas de la Física Aplicada, Vol. 97, No. 26, P. 263109, 2010.
  18. H. Dadgour, A.M. Cassell y Análisis de K. Banerjee, “de la Graduación A Escala y de la Variabilidad de los Dispositivos y de los Circuitos CNT-Basar NEMS con las Implicaciones para el Diseño De Proceso,” Dispositivos de Electrón Internacionales de IEEE Que Se Encuentran (IEDM), Págs. 529-532, 2008.
  19. E. Kymakis, I. Alexandrou, G.A.J. Amaratunga, del “Dispositivos Fotovoltaicos Alto Voltaje De circuito abierto de Compuestos del Carbón-Nanotube-Polímero,” Progreso en Photovoltaics: Investigación y Aplicaciones, Vol. 93, No. 3, Págs. 1764-1768, 2003.
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Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:20

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