Nanomaterials del Carbonio per la Progettazione dell'Elettronica Verde Di prossima generazione

Da Kaustav Banerjee

Kaustav Banerjee, il Professor di Elettrico e Ingegneria Informatica e Direttore del Laboratorio Di Ricerca Di Nanoelectronics al UC Santa Barbara. Autore Corrispondente: kaustav@ece.ucsb.edu

gli allotropi Basso Dimensionali di carbonio (graphene bidimensionale compreso e nanotubes del carbonio e nanoribbons unidimensionali del graphene), conosciuti collettivamente come i nanomaterials del carbonio, hanno proprietà fisiche straordinarie che possono essere sfruttate per le loro prospettive emozionanti in varie applicazioni di elettronica.

In particolare, questi nanomaterials possono essere usati per progettare l'attivo a bassa potenza, con poche perdite ed ultra di ottimo rendimento e le unità nanoelectronic passive, che possono conseguentemente piombo ai livelli senza precedenti di densità e di energia-risparmio di temi di integrazione nelle generazioni venenti di circuiti integrati e di prodotti elettronici.

Le strutture di tutti i nanomaterials del carbonio possono essere derivate da quello di graphene, che è una lamiera sottile planare unico atomo spessa degli atomi2 di carbonio SP-tenuti da adesivo imballati in un reticolo cristallino del favo (Fig. 1a).

Un nanoribbon del graphene (GNR) può essere ottenuto modellando il graphene in un nastro, mentre un nanotube del carbonio (CNT) può essere pensato come a nastro acciambellato per formare un tubo senza saldatura.

La struttura di banda di graphene ha caratteristiche uniche: la relazione della dispersione di energia (o semplicemente E-k) è vicino lineare il livello energetico di Fermi, piombo alla massa effettiva zero per gli elettroni ed i fori e quindi alla mobilità di portafili estremamente alta (> 10000 cm/V-s2).

Alcuni beni chiave di questi nanomaterials del carbonio sono descritti in Tabella I con quelli di alcuni semiconduttori comuni e di un metallo (Cu), indicando il loro grande potenziale nelle applicazioni di prossima generazione di elettronica1. Nei seguenti paragrafi, brevemente descriviamo ed evidenziamo le prospettive dei nanomaterials del carbonio per la progettazione dell'elettronica “di verde„ della generazione seguente.

Fig.1. (a) La struttura atomica di CNT e GNR derivati da un graphene rivestono. (b) Un graphene a 2 pollici di dimensione del wafer sviluppato su nichel nel Laboratorio Di Ricerca Di Nanoelectronics (NRL) all'UCSB. (c) crescita Selettiva del nanotube del carbonio usata per formare il reticolo del logo di NRL.

Si

GaAs

GaN

Cu

SWCNT

MWCNT

Graphene o GNR

Densità di corrente Massima (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

Punto di fusione (k)

1687

1513

2773

1357

3800 (grafite)

 

 

Resistenza alla trazione (GPa)

7

75

204

0,22

22.2±2.2

11-63

 

Mobilità (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (per la verniciatura di minimo)

1100

-

>10000

 

>10000

Conducibilità Termica ('103 W/m-K)

0,15

0,055

0,13

0,385

1.75-5.8

3

3-5

Coefficiente di Temperatura di Resistenza ('10-3 /K)

-

-

-

4

<1.1

-1,37

-1,47

Temperatura ambiente del Cammino libero medio (nanometro) @

30

~ 300 nanometro (per l'Eterostruttura di AlGaAs/GaAs)

~ 20 - 30 nanometro (per l'Eterostruttura di AlGaN/GaN)

40

>103

2,5' 104

1' 103

Tabella I. Beni dei nanomaterials del carbonio (CNT (SWCNT) unico murato, CNT (MWCNT) multi-murato e nanoribbon del graphene (GNR)) rispetto a quelli di alcuni semiconduttori (Si, GaAs e GaN) e di metallo (Cu) usato per varie applicazioni di elettronica.

Ad Alta Velocità A bassa potenza Collega

I collegamenti del Metallo utilizzati come collegamenti di comunicazione fra miliardi di transistor in circuiti integrati moderni (CI) sono venuto ad occupare la tappa centrale nella determinazione la prestazione e della dissipazione di potenza dei chip elettronici quali i microprocessori2,3.

IC ad alto rendimento tipico impiega parecchi livelli di metallo collega separato dai materiali isolanti, con “i breve collegare„ impiegati per la comunicazione locale e “i a lungo collegare„ usati per la comunicazione globale all'interno di un chip.

Interconnects egualmente è usato per la distribuzione dei segnali di orologio in tutto il chip ed è conosciuto per essere responsabile più di 50% della dissipazione di potenza nella maggior parte dei CI. È stato indicato che la mora di globale collega può essere ridotta di fino a 50% se CNT impacchetta o Graphene a più strati collega è impiegato4-6. Nel Frattempo, se la mora di CNT/Graphene collega sono tenuti alla stessa mora ottimale di metallo (Cu) collega, CNT/Graphene collega ridurrebbe il consumo di energia globale di interconnessione di 50% confrontato a quello di Cu collega7.

Unità Passive Con Poche Perdite

(Onda di millimetro e radiofrequenza) nelle applicazioni ultra ad alta frequenza, le perdite aumentate dovuto interfaccia e gli effetti di prossimità in IC collega e le unità passive possono anche contribuire significativamente a diminuire il energia-risparmio di temi dei circuiti elettronici e dei prodotti.

CNT/Graphene collega è stato indicato per esibire il comportamento ad alta frequenza unico (effetto di interfaccia diminuito) a causa del loro grande tempo di rilassamento di slancio, indicante le applicazioni ad alta frequenza di promessa8,9. Per esempio, è stato indicato che il Q-Fattore massimo (un risparmio di temi di misura metrico dell'induttore) di un ¾ - l'induttore di giro può essere aumentato vicino fino a 230% (3,3 volte) e 32% (1,3 volte) sostituendo il Cu con CNTs e il graphene, rispettivamente 8,10.

CNTs egualmente è conosciuto per avere beni termici eccellenti (Tabella 1) ed alla luce dei vantaggi che offrono per l'operazione ultra ad alta frequenza, egualmente stanno promettendo come Attraverso-Silicio Vias (TSV) 11 --una tecnologia permettente chiave per 3 dimensionali (3D) - CI.

i CI 3-D concedono impilare e saldare dei livelli attivi multipli (substrati) e stanno perseguendi in molte società a semiconduttore intorno al mondo dovuto le loro prospettive a bassa potenza (che derivano dalle loro lunghezze diminuite di interconnessione) e la possibilità di integrazione eterogenea delle tecnologie disparate (Si, III-V, Graphene) e dei circuiti (digitale, analogico, RF, ottica, ecc) 12.

Unità ad alta densità di Stoccaggio di energia

Per le progettazioni ad alta densità (MIM) del condensatore del metallo-isolante-metallo, è stato indicato che la densità di capacità ai dei condensatori basati CNT può raggiungere su quanto 38,39 fF/μm2, molto più grandi della Carta Stradale Internazionale della Tecnologia per un requisito A Semiconduttore (ITRS) di 12fF/μm2 dell'anno 20221, indicando il loro potenziale eccellente di sostituire i condensatori della corrente MIM come pure altre unità basate tassa-archiviazione del su chip.

Graphene egualmente ha indicato la promessa come materiali dell'elettrodo nelle applicazioni di supercapacitor dovuto la sua grande superficie-area al rapporto del volume. Recentemente è stato riferito che i supercapacitors basati graphene esibiscono una densità di energia specifica di 85,6 W·h/kg alla temperatura ambiente, molto più superiore a quella delle batterie al piombo convenzionali (in genere 30 a 40 W·h/kg)13.

Unità Attive Ultra Di Ottimo Rendimento

Più recentemente, l'industria a semiconduttore ha testimoniato l'interesse rinnovato in transistor ultra di ottimo rendimento. Ciò è guidata dalla necessità di trovare un'opzione della sostituzione per il MOSFET del nanoscale, che forma il cavallo da lavoro dell'industria di IC ma soffre da dispersione sempre più alta dello fuori stato, quindi rendente molto l'energia inefficiente.

Uno scopo chiave della ricerca nell'area di progettazione ultra di ottimo rendimento del transistor è la progettazione e la dimostrazione di piccole opzioni sotto il limite di soglia (SS) del basculaggio asse verticale (transistor compresi di effetto del tunnel-campo (T-FET) e (NEM) Nanoelectromechanical-FET) che fa SOPRA FUORI a passare più brusco e diminuisce la corrente di dispersione, come sostituzione finale per il MOSFET14,15.

Tuttavia, da rendere questo una realtà, la dimostrazione di T-FETs/NEM-FETs compatto, evolutivo ed affidabile con il livello (MOSFET gradisce) Sulle correnti e basso FUORI dalle correnti alle tensioni di alimentazione di corrente basse, che sono adatte a sviluppare i circuiti logici ed i sistemi su grande scala, è altamente desiderabile.

CNT e GNR sono materiali eccellenti per la progettazione delle tali unità attive di ottimo rendimento per elettronica verde di prossima generazione.

Per esempio, l'alta mobilità e il bandgap basso di graphene è stata sfruttata per progettare un heterojunction basato GNR T-FET che esibisce la ION su quanto 1 mA/μm, il rapportoONOFF di I/I su quanto 109 e gli SS piccoli quanto 10 mV/dec a V=0.5DD V e a L=20ch nanometro16. Inoltre, capire la fisica di banda--banda-traforo (BTBT), che è chiave a progettare i T-FETs con tutto il materiale, è stata indicata per essere permessa a facilmente dai T-FETs basati GNR17. D'altra parte, CNT è un materiale eccellente per la progettazione dei All'unanimità-FETs dovuto la loro densità della messa bassa ed alto modulo Di Young18.

Alto-Risparmio di temi Photovoltaics

La raccolta Efficiente dell'energia solare tramite le unità fotovoltaiche novelle è critica per riduzione globale del disgaggio dei gas della serra. Quindi, aumentare il risparmio di temi delle unità fotovoltaiche si è trasformato in in uno scopo chiave della ricerca nell'area di progettazione della pila solare.

Un potenziamento di due ordini di grandezza di derivare photocurrent dall'aggiunta del CNTs (SWCNTs) Unico Murato ad una matrice di poly-3-octylthiophene (P3OT) è stato riferito in una pila solare organica19.

Egualmente è stato riferito che usando SWCNTs come conducendo le impalcature in un TiO2 basato tintura-ha sensibilizzato la pila solare può raddoppiare il risparmio di temi di photoconversion20.

Più interessante, la produzione di coppie multipla estremamente efficiente del elettrone-foro è stata osservata in CNT dovuto l'eccitazione ottica nel secondo subband che suggerisce la possibilità di superamento del limite termodinamico (di Shockley-Queisser)21. Ci sono egualmente lotti di interesse nell'uso del CNT/graphene come elettrodi trasparenti per la pila solare e le applicazioni del LED22-24.

Riferimenti:

  1. H. Li, C. Xu, N. Srivastava e K. Banerjee, “Nanomaterials del Carbonio per Di prossima generazione Collega e Passivi: Fisica, Stato e Prospettive,„ Transazioni di IEEE sulle Unità di Elettrone, Volume 56, No. 9, Pp. 1799-1821, Settembre 2009.
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  3. K. Banerjee ed A. Mehrotra, “Una Metodologia Potenza-Ottimale di Inserzione del Ripetitore per Globale Collega nelle Progettazioni di Nanometro,„ Transazioni di IEEE sulle Unità di Elettrone, il Volume 49, No. 11, le Pp. 2001-2007, Novembre 2002.
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  6. C. Xu, H. Li e K. Banerjee, “Modellare, l'Analisi e Progettazione del Nano-Nastro di Graphene Collega,„ Transazioni di IEEE sulle Unità di Elettrone, il Volume 56, No.8, le Pp. 1567-1578, 2009.
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  8. H. Li e K. Banerjee, “l'Analisi Ad Alta Frequenza di Carbonio Nanotube Collega e le Implicazioni per Progettazione dell'Induttore del Su Chip,„ Transazioni di IEEE sulle Unità di Elettrone, il Volume 56, No. 10, le Pp. 2202-2214, 2009.
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  10. D. Sarkar, C. Xu, H. Li e K. Banerjee, “Comportamento Ad Alta Frequenza di Basato Graphene Collega - la Parte II: L'Analisi e le Implicazioni dell'Impedenza per l'Induttore Progettano,„ Transazioni di IEEE sulle Unità di Elettrone, il Volume 58, No. 3, le Pp. 853-859, 2011.
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Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:59

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