Nanomaterials de Carbone pour Concevoir l'Électronique Verte De La Deuxième Génération

Par Kaustav Banerjee

Kaustav Banerjee, Professeur d'Élém. Élect. et Ingénierie Informatique et Directeur du Laboratoire de Recherches de Nanoelectronics à UC Santa Barbara. Auteur Correspondant : kaustav@ece.ucsb.edu

les formes allotropiques Faible-Dimensionnelles du carbone (graphene bidimensionnel y compris et nanotubes de carbone et nanoribbons unidimensionnels de graphene), collectivement connues sous le nom de nanomaterials de carbone, ont des propriétés physiques extraordinaires qui peuvent être exploitées pour leurs espérances passionnantes dans un grand choix d'applications de l'électronique.

En particulier, ces nanomaterials peuvent être employés pour concevoir de basse puissance, la faible-perte et les dispositifs nanoelectronic actifs et passifs ultra de rendement optimum, qui peuvent par conséquent mener aux niveaux sans précédent de la densité et du rendement énergétique d'intégration dans les rétablissements venants des circuits intégrés et des produits électroniques.

Les structures de tous les nanomaterials de carbone peuvent être dérivées de cela du graphene, qui est une feuille planaire unique-atome-épaisse d'atomes2 de carbone SP-métallisés bourrés dans un réseau cristallin de nid d'abeilles (Fig. 1a).

Un nanoribbon de graphene (GNR) peut être obtenu en modelant le graphene dans une bande, alors qu'un nanotube de carbone (CNT) peut être considéré en tant que roulé vers le haut de la bande pour former un tube sans joint.

La structure de bande du graphene a de seules caractéristiques : le rapport de dispersion d'énergie (ou simplement E-k) est proche linéaire le niveau énergétique de Fermi, menant à la masse pertinente nulle pour des électrons et des trous, et ainsi à la mobilité des porteuses extrêmement élevée (> 10000 cm/V-s2).

Quelques propriétés principales de ces nanomaterials de carbone sont données au Tableau I avec ceux de quelques semi-conducteurs communs et d'un métal (Cu), indiquant leur potentiel grand dans les applications de la deuxième génération de l'électronique1. Dans les paragraphes suivants, nous brièvement donnons et mettons en valeur les espérances des nanomaterials de carbone pour concevoir l'électronique de « vert » de prochain rétablissement.

Fig.1. (a) La structure atomique de CNT et GNR dérivés d'un graphene couvrent. (b) Un graphene de deux pouces de taille de disque développé sur le nickel dans le Laboratoire de Recherche de Nanoelectronics (NRL) à l'UCSB. (c) Accroissement Sélecteur de nanotube de carbone employé pour former la configuration du logo de NRL.

SI

GaAs

GaN

Cu

SWCNT

MWCNT

Graphene ou GNR

Densité de courant Maximum (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

Point de Fusion (k)

1687

1513

2773

1357

3800 (graphite)

 

 

Résistance à la Traction (GPa)

7

75

204

0,22

22.2±2.2

11-63

 

Mobilité (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (pour le dopage du bas)

1100

-

>10000

 

>10000

Conduction thermique ('103 W/m-K)

0,15

0,055

0,13

0,385

1.75-5.8

3

3-5

Coefficient de Température de Résistance ('10-3 /K)

-

-

-

4

<1.1

-1,37

-1,47

Température ambiante du Moyen libre parcours (nanomètre) @

30

~ 300 nanomètre (pour l'Hétérostructure d'AlGaAs/GaAs)

~ 20 - 30 nanomètre (pour l'Hétérostructure d'AlGaN/GaN)

40

>103

2,5' 104

1' 103

Tableau I. Propriétés des nanomaterials de carbone (CNT (SWCNT) unique-muré, CNT (MWCNT) multi-muré, et nanoribbon de graphene (GNR)) par rapport à ceux de quelques semi-conducteurs (SI, GaAs, et GaN) et de métal (Cu) utilisé pour différentes applications de l'électronique.

La Haute vitesse De basse puissance Interconnecte

Les interconnexions En Métal utilisées comme liaisons entre les milliards de transistors dans des circuits intégrés modernes (IC) sont venues pour occuper le centre de la scène en déterminant la performance et la dispersion d'alimentation électrique des puces électroniques telles que des microprocesseurs2,3.

Un IC performant typique utilise plusieurs couches de métal interconnecte séparé par des isolants, avec des « court-fils » utilisés pour la transmission locale et les « long-fils » utilisés pour la communication globale dans une puce.

Interconnects sont également utilisées pour distribuer les signes d'horloge dans toute la puce et sont connues pour être responsable de plus de 50% de la dispersion d'alimentation électrique dans la plupart des IC. On lui a affiché que le délai de global interconnecte peut être réduit jusqu'à de 50% si CNT empaquette ou Graphene multicouche interconnecte sont utilisés4-6. En Attendant, si le délai de CNT/Graphene interconnecte sont maintenus au même délai optimal du métal (Cu) interconnecte, CNT/Graphene interconnecte réduirait la consommation d'énergie globale d'interconnexion de 50% comparé à celle du Cu interconnecte7.

Dispositifs de Passif de Faible-Perte

Dans (onde millimétrique et radiofréquence) des applications ultra à haute fréquence, les pertes accrues devant peler et les effets de proximité dans l'IC interconnecte et les dispositifs passifs peuvent également contribuer de manière significative à réduire le rendement énergétique des circuits électroniques et des produits.

CNT/Graphene interconnecte a été affiché pour montrer le seul comportement à haute fréquence (effet de peau réduit) dû à leur grand temps de relaxation d'élan, indiquant des applications à haute fréquence prometteuses8,9. Par exemple, on lui a affiché que le Q-Facteur maximum (une efficience de mesure métrique d'inducteur) d'un ¾ - l'inducteur de spire peut être augmenté par pas moins de 230 % (3,3 fois) et de 32% (1,3 fois) en remplaçant le Cu par CNTs et graphene, respectivement 8,10.

CNTs sont également connus pour avoir les excellentes propriétés thermiques (Tableau 1) et à la lumière des avantages qu'elles offrent pour le fonctionnement ultra à haute fréquence, elles promettent également comme Par l'entremise-Silicium Vias (TSV) 11 --une technologie de activation principale pour à trois dimensions (3D) - IC.

les IC à trois dimensions laissent empiler et coller des couches actives multiples (substrats) et sont poursuivis à beaucoup de compagnies de semi-conducteur autour du monde dû à leurs espérances de basse puissance (résultant de leurs longueurs réduites d'interconnexion) et à faisabilité de l'intégration hétérogène des technologies disparates (SI, III-V, Graphene) et des circuits (digital, analogique, RF, bloc optique, etc.) 12.

Dispositifs à haute densité de Stockage D'énergie

Pour des designs à haute densité (MIM) de condensateur de métal-isolant-métal, on lui a affiché que la densité de capacité des condensateurs CNT-basés peut atteindre aussi élevé que 38,39 fF/μm2, beaucoup plus grands que le Calendrier de lancement International de Technologie pour la condition des Semi-conducteurs (ITRS) de 12fF/μm2 pendant l'année 20221, indiquant leur excellent potentiel de remonter des condensateurs du courant MIM ainsi que d'autres dispositifs basés de charge-mémoire de sur-puce.

Graphene s'est également montré prometteur comme matériaux d'électrode dans des applications de supercapacitor dues à sa grande surface du taux de volume. On a récent signalé que les supercapacitors basés de graphene montrent une densité d'énergie particulière de 85,6 W·h/kg à la température ambiante, beaucoup plus haut que cela des batteries au plomb conventionnelles (en général 30 à 40 W·h/kg)13.

Dispositifs Actifs Ultra De Rendement Optimum

Plus récent, l'entreprise de semiconducteurs a été témoin de l'intérêt renouvelé pour les transistors ultra de rendement optimum. Ceci est piloté par la nécessité de trouver un contact de rechange pour le TRANSISTOR MOSFET de nanoscale, qui forme le cheval de travail de l'industrie d'IC mais souffre de la fuite hors état de plus en plus élevée, rendant de ce fait lui très l'énergie inefficace.

Un objectif principal de recherches dans la zone du design ultra de rendement optimum de transistor est le design et la démonstration de petits contacts subliminaux (SS) d'oscillation (transistors y compris d'effet de tunnel-zone (T-FET) et (NEM) Nanoelectromechanical-FET) qui effectue EN CIRCUIT à HORS de commuter plus brusque et réduit le courant de fuite, comme remontage éventuel pour le TRANSISTOR MOSFET14,15.

Cependant, pour effectuer à ceci une réalité, démonstration de contrat, évolutives, et T-FETs/NEM-FETs fiable avec le haut (le TRANSISTOR MOSFET aiment) SUR des courants, et faible HORS des courants aux tensions d'alimentation faibles, qui conviennent pour établir les circuits logiques et les systèmes de grande puissance, il est hautement désirable.

CNT et GNR sont d'excellents matériaux pour concevoir de tels dispositifs actifs de rendement optimum pour l'électronique verte de la deuxième génération.

Par exemple, la mobilité élevée et le bandgap faible du graphene a été exploitée pour concevoir une hétérojonction basée T-FET de GNR montrant ION aussi élevé que 1 mA/μm, tauxONOFF d'I/I aussi élevé que 109, et VAPEUR aussi petit que 10 mV/dec à V=0.5DD V, et à L=20ch nanomètre16. D'ailleurs, la compréhension de la physique du bande-à-bande-perçage d'un tunnel (BTBT), qui est principal à concevoir des T-FETs avec du n'importe quel matériau, a été affichée pour être facilement activée par les T-FETs basés de GNR17. D'autre part, CNT est un excellent matériau pour concevoir des Pas mentionné ailleurs-FETs dus à leur densité de la faible masse et module De Young élevé18.

Photovoltaics À haut rendement

La moisson Efficace de l'énergie solaire par les dispositifs photovoltaïques nouveaux est critique pour la réduction globale d'échelle de gaz de maison verte. Par Conséquent, l'augmentation de l'efficience des dispositifs photovoltaïques est devenue un objectif principal de recherches dans la zone du design de pile solaire.

Deux ordres de grandeur l'amélioration de résulter photocurrent d'ajouter CNTs (SWCNTs) Unique-Muré à une modification de poly-3-octylthiophene (P3OT) a été enregistrés dans une pile solaire organique19.

On a également signalé que l'utilisation de SWCNTs en tant qu'échafaudages de conduite dans une pile2 solaire teinture-sensibilisée basée de TiO peut doubler l'efficience de photoconversion20.

Plus intéressant, on a observé le rétablissement de paires multiple extrêmement efficace d'électron-trou dans CNT dû à l'excitation optique dans la deuxième sous-bande suggérant la possibilité de dépasser la limite thermo-dynamique (de Shockley-Queisser)21. Il y a également un bon nombre d'intérêt en utilisant CNT/graphene en tant qu'électrodes transparentes pour la pile solaire et les applications de LED22-24.

Références :

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Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:53

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