次世代の緑の電子工学を設計するためのカーボン Nanomaterials

Kaustav Banerjee

教授そして UC サンタ・バーバラの Nanoelectronics の研究所の電気およびコンピューター工学のディレクター、 Kaustav Banerjee。 対応する著者: kaustav@ece.ucsb.edu

一まとめにカーボン nanomaterials として知られているカーボンの低次元の同素体に (を含む二次元の graphene および 1 次元カーボン nanotubes および graphene の nanoribbons)、いろいろな電子工学アプリケーションのエキサイティングな見通しのために開発することができる異常な物理的性質があります。

特に、これらの nanomaterials が従って集積回路および電子製品の来る生成の統合の密度そしてエネルギー効率の前例のないレベルの原因となる場合がある低電力の、低損失および超エネルギー効率が良い実行中および受動の nanoelectronic 装置を設計するのに使用することができます。

すべてのカーボン nanomaterials の構造は蜜蜂の巣の結晶格子 (図 1a) で詰まる sp 担保付きの炭素原子の2単一原子厚い平面シートである graphene のそれから得ることができます。

graphene の nanoribbon は (GNR)リボンに graphene の模造によってカーボン nanotube は継ぎ目が無い管を形作るためにリボン (CNT)の上で転送されるとしてについて考えることができるが得ることができます。

graphene のバンド構造に一義的な特性があります: エネルギー分散 (か単に E-k) 関係は線形近いです電子および穴のためのゼロ有効質量とそれにより非常に高いキャリア移動度 (> 10000 cm/V-s) の原因となるフェルミエネルギーのレベル2

これらのカーボン nanomaterials のある主特性はある共通の半導体および金属 (Cu) のそれらと共に表 I で輪郭を描かれ、次世代の電子工学アプリケーションの大きい潜在性を明記します1。 次のパラグラフでは、私達は簡潔に次世代の 「緑」の電子工学を設計するためのカーボン nanomaterials の見通しの輪郭を描き、強調します。

Fig.1. (a) CNT の原子 graphene から得られる構造および GNR は広がります。 (b) UCSB で Nanoelectronics の研究所のニッケルで育つ 2 インチのウエファーの (NRL)サイズの graphene。 (c) NRL のロゴのパターンを形作るのに使用される選択的なカーボン nanotube の成長。

Si

GaAs

GaN

Cu

SWCNT

MWCNT

Graphene か GNR

最大電流密度 (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

融点 (k)

1687

1513

2773

1357

3800 (グラファイト)

 

 

引張強さ (GPa)

7

75

204

0.22

22.2±2.2

11-63

 

移動性 (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (低速の添加のために)

1100

-

>10000

 

>10000

熱伝導度 (「103 W/m-K)

0.15

0.055

0.13

0.385

1.75-5.8

3

3-5

抵抗 (「10 /K) の-3 温度係数

-

-

-

4

<1.1

-1.37

-1.47

平均自由行程 (nm) の @ 室温

30

~ 300 nm (AlGaAs/GaAs のヘテロ構造のために)

~ 20 - 30 nm (AlGaN/GaN のヘテロ構造のために)

40

>103

2.5' 104

1' 103

さまざまな電子工学アプリケーションに使用するある半導体 (Si、 GaAs および GaN) および金属 (Cu) のそれら (GNR)と比較してカーボン nanomaterials (単一囲まれた CNT (SWCNT)、複数の囲まれた CNT (MWCNT)、および graphene の nanoribbon) の I. Properties を台に置いて下さい

低電力高速は相互接続します

現代集積回路 (IC) でトランジスターの十億間の通信リンクとして使用される金属の相互接続はマイクロプロセッサのような電子チップのパフォーマンスそして電力損失の決定のセンター・ステージを占めることを来ました2,3

典型的な高性能 IC は金属の複数の層を相互接続します、ローカル通信連絡のために用いられる 「短いワイヤー」およびチップ内のグローバル通信に使用されて 「ずっとワイヤー」が絶縁体で分けられて用います。

Interconnects またチップ全体のクロック信号を配るために使用され、ほとんどの IC の電力損失の 50% に責任がある知られています。 CNT が束ねるか、または多層 Graphene が雇われれば相互接続すれば全体的の遅延が 50% まで減ることができる相互接続することが示されていました4-6。 その間、 CNT/Graphene の遅延が相互接続すれば金属 (Cu) の同じ最適の遅延で相互接続します、 CNT/Graphene 相互接続します減らします Cu のそれと比較される 50% 全体的な相互接続のパワー消費量を相互接続します保たれます7

低損失の受動装置

超高周波 (ミリメートル波および無線周波) アプリケーションでは、皮を剥ぐこと当然の高められた損失および IC の近さ効果は相互接続し、受動装置はまた電子回路および製品のエネルギー効率の減少にかなり貢献できます。

CNT/Graphene は示されていました約束の高周波アプリケーションを明記する大きい運動量の緩和時間のために一義的な高周波動作 (減らされた表皮作用) を表わすために相互接続します8,9。 例えば、それはこと ¾ の最大 Q 要因 (メートル量を示す誘導器効率) 示されていました - 回転誘導器は 230% (3.3 回) および 32% (1.3 回) CNTs および graphene と Cu を取り替えることによってそれぞれ多く増加することができます 8,10

CNTs はまた優秀な熱特性 (超高周波操作のために提供するあると利点に照し合わせて表 1) がおよび知られていますと、またによケイ素 Vias として約束しています (TSV) 11 --3D のための主可能になる技術 (3D) - IC。

3D IC は多重実行中の層 (基板) のスタックし、結ぶことを割り当て、低電力見通し (減らされた相互接続の長さに起因する) および全く異種の技術 (Si、 III-V、 Graphene) および回路 (デジタル、アナログ、 RF、光学、等) の異質統合の可能性による世界中の多くの半導体の会社で追求されています 12

高密度エネルギー蓄積装置

高密度金属絶縁体金属のコンデンサー (MIM)デザインのために、示され CNT ベースのコンデンサーのキャパシタンス密度が 2022 年の 12fF/μm の半導体2 (ITRS) の条件のための国際的な技術の道路地図より大きい 38.39 fF/μm、大いに2 高く達することができる1ことが流れ MIM のコンデンサー、また他のオンチップ料金記憶によって基づく装置を 取り替える優秀な 潜在性を明記します。

Graphene はまたボリューム比率が大きい表面領域に原因で supercapacitor アプリケーションで電極材料として約束を示しました。 graphene によって基づく supercapacitors が 85.6 W の特定のエネルギー密度を表わすことが最近報告されてしまいました·室温の h/kg、慣習的な鉛酸電池 (40 W のそれより大いに高くへの普通 30·h/kg)13

超エネルギー効率が良い実行中装置

もっと最近、半導体工業は超エネルギー効率が良いトランジスターの更新された興味を目撃しました。 これは IC 工業の作業馬を形作るが、運転されましたりそれにエネルギーを非能率的に非常にさせるますます高いオフ状態の漏出に、それにより苦しみます nanoscale MOSFET のための置換スイッチを見つける必要性によって。

超エネルギー効率が良いトランジスターデザインの領域の主研究の目的は MOSFET のための終局の置換として小さい subthreshold (SS) 振動スイッチのデザインそしてデモンストレーション (を含むトンネルフィールド (NEM)効果のトランジスター (T-FET) および Nanoelectromechanical FET) 突然の切替えを離れてに作り、漏出流れを減らすです14,15

ただし、流れでこれに現実を、最高のコンパクトな、スケーラブル、信頼できる T FETs/NEM FETs のデモンストレーションは (MOSFET は好みます)、大規模な論理回路およびシステムを構築するために適している低いパワー供給の電圧で流れを離れて低いしてが非常に望ましいです。

CNT および GNR は次世代の緑の電子工学のためのそのようなエネルギー効率が良い実行中装置を設計するための優秀な材料です。

10 高く 1 mA/μm、 I/I の V=0.5 V 高く表わす設計するのに、 GNR によって基づくヘテロ接合 T-FET を例えば、ON graphene の高い移動性がそして低いONOFF bandgap はおよび9 L=20 nm で 10 mV/dec 小さい比率、およびDD SS I をch開発されていました16。 さらに、あらゆる材料が付いている (BTBT) T FETs の設計に主であるバンドにバンドトンネルを掘ることの物理学を理解することは容易に GNR によって基づく T FETs によって可能になるために示されていました17。 一方では、 CNT は低い大容量密度および高いヤングの係数による NEM FETs を設計するための優秀な材料です18

高性能の Photovoltaics

新しい光起電装置を通した太陽エネルギーの効率的な収穫は温室のガスの全体的なスケールの減少のために重大です。 それ故に、光起電装置の効率を高めることは太陽電池デザインの領域の主研究の目的になりました。

多3 octylthiophene (P3OT) マトリックスへ単一囲まれた CNTs (SWCNTs) を追加することに photocurrent 起因の機能拡張 2 つの一桁は有機性太陽電池で報告されました19

基づいて TiO の足場を行なって太陽電池に染料感光性を与えたように SWCNTs を使用することが photoconversion の2 効率を倍増できることがまた報告されました20

より興味深く、 (Shockley-Queisser の) 熱力学の限界を超過する可能性を提案している非常に効率的な多重電子穴のペア生成は第 2 副帯でに光学刺激による CNT 観察されました21。 太陽電池および LED のアプリケーションのための透過電極として CNT/graphene を用いることの興味のまた多くがあります22-24

参照:

  1. H. 李、 C. Xu、 N. Srivastava、および K. Banerjee は、 「次世代のためのカーボン Nanomaterials および受動態相互接続します: 物理学、状態および見通し」、電子デバイス、 Vol. 56、第 9、 PP の IEEE のトランザクション。 1799-1821 型の、 2009 年 9 月。
  2. K. Banerjee および A. Mehrotra、 「IEEE 全体的な (相互接続) 暖まること」、回路および装置マガジン、 pp.16- 32 2001 年。
  3. K. Banerjee および A. Mehrotra はナノメーターデザインで、 「全体的のためのパワー最適の中継器の挿入の方法」、電子デバイス、 Vol. 49、第 11、 PP の IEEE のトランザクション相互接続します。 2001-2007 型の、 2002 年 11 月。
  4. N. Srivastava、 H. 李、 F. Kreupl、および VLSI の相互接続として単一囲カーボン Nanotubes の適用の可能性の K. Banerjee、 「」、ナノテクノロジー、 Vol. 8、第 4、 PP の IEEE のトランザクション。 542-559、 2009 年 7 月。
  5. H. 李、 N. Srivastava、 W.Y. Yin、複数の囲カーボン Nanotube の模倣していたりおよび作業分析 K. Banerjee、および J.F. 毛、 「回路」、は電子デバイス、 Vol. 55、第 6、 PP の IEEE のトランザクション相互接続します。 1328-1337 2008 年。
  6. C. Xu、 H. 李、および Graphene の Nano リボンの K. Banerjee、 「模倣、分析およびデザインは」、電子デバイス、 Vol. 56、 No.8、 PP の IEEE のトランザクション相互接続します。 1567-1578 2009 年。
  7. H. 李、 C. Xu、および K. Banerjee、 「カーボン Nanomaterials: 次世代 IC のための理想的な相互接続の技術」、コンピュータの IEEE デザインおよびテスト、 Gigascale の統合、 Vol. 27、第 4、 PP のための出現の相互接続の技術の特集号。 20-31、 7 月/2010 年 8 月。
  8. H. 李および K. Banerjee は、 「カーボン Nanotube の高周波分析およびオンチップ誘導器デザインのための含意」、電子デバイス、 Vol. 56、第 10、 PP の IEEE のトランザクション相互接続します。 2202-2214、 2009 年。
  9. D. Sarkar、 C. Xu、 H. 李、および K. Banerjee は、 「Graphene ベースの高周波動作 - 部 I を相互接続します: 」、電子デバイス模倣する、インピーダンス Vol. 58、第 3、 PP の IEEE のトランザクション。 843-852、 2011 年。
  10. D. Sarkar、 C. Xu、 H. 李、および K. Banerjee は、 「Graphene ベースの高周波動作 - 部 II を相互接続します: 誘導器のためのインピーダンス分析そして含意は」、電子デバイス、 Vol. 58、第 3、 PP の IEEE のトランザクション設計します。 853-859、 2011 年。
  11. C. Xu、 H. 李、 R. Suaya および K. Banerjee、 「3D IC のによケイ素 Vias の」、 (TSVs)電子デバイス模倣するおよび作業分析、コンパクトな AC Vol. 57、第 12、 PP の IEEE のトランザクション。 3405-3417、 2010 年 12 月。
  12. K. Banerjee、 S.J. Souri、 P. Kapur、および K.C. Saraswat、 「3D IC: 深いミクロ以下の相互接続パフォーマンスおよびシステムチップ統合を」、 IEEE の進行改善するための新しいチップデザイン、 Vol. 89、第 5、 PP。 602-633、 2001 年 5 月。
  13. C. 劉、 Z. Yu、 D. Neff、 A. Zhamu、および B.Z. Jang、 「超高度のエネルギー密度の Graphene ベースの Suppercapacitor」、 Nano 文字、 Vol. 10、 PP。 4863-4868、 2010 年。
  14. H.F. Dadgour および K. Banerjee、 「ハイブリッド NEMS-CMOS の集積回路: コンピュータのエネルギー効率が良いデザイン」、 IET のトランザクションおよび Nanoelectronics 回路およびシステム、 Vol. 3、第 6、 PP の前進のデジタル技術特別な問題のための新しい作戦。 593-608、 2009 年 11 月。
  15. Y. Khatami および K. Banerjee、 「急な Subthreshold 斜面 n- および低電力およびエネルギー効率が良いデジタル回路のための p タイプトンネル FET 装置」、 IEEE Trans. の電子デバイス、 Vol. 56、 PP。 2752-2761、 2009 年。
  16. Y. Khatami、 M. Krall、 H. 李は。、 C. Xu。、 K. Banerjee、 「Graphene 低電圧/高性能 IC のためのヘテロ構造のトンネル FETs を」、第 68 装置研究の会議 (DRC) 2010 年、 PP 基づかせていました。 65-66。
  17. D. Sarkar、 M. Krall、および K. Banerjee、 「Graphene-Nanoribbon のトンネルフィールド効果のトランジスターのバンドにバンドトンネルを掘るプロセスの間の電子穴二元性」、の応用物理の文字、 Vol. 97、第 26、 P. 263109 2010 年。
  18. H. Dadgour、 A.M. Cassell および K. Banerjee、 「プロセス設計のための含意を用いる CNT ベースの NEMS 装置そして回路のスケーリングおよび可変性の分析」、 IEEE の会う国際的な電子デバイス (IEDM) PP。 529-532、 2008 年。
  19. E. Kymakis、 I. Alexandrou、 G.A.J. Amaratunga、 「カーボン Nanotube ポリマー合成物からの高いオープン回路の電圧光起電装置」、 Photovoltaics の進歩: 研究およびアプリケーション、 Vol. 93、第 3、 PP。 1764-1768 2003 年。
  20. A. Kongkanand、 R.M. ドミンガス、 P.V. Kamat、 「Photoelectrochemical の太陽電池のための壁カーボン Nanotube の単一の足場: Photogenerated の電子の捕獲そして輸送」、 Nano 文字、 Vol. 7、 no.3、 PP。 676-680、 2007 年。
  21. N.M. ガボール、 Z. Zhong、 K. Bosnick、 J. Park、および P.L. McEuen、 「カーボン Nanotube フォトダイオードの非常に効率的な多重電子穴のペア生成」、科学、 Vol. 325 1367 2009 年。
  22. M.W. Rowell、 M.A. Topinka、; M.D. McGehee、 H。 - J。 Prall、 G. Dennler、 N.S. Sariciftci、 L. Hu、 G. Gruner、 「カーボン Nanotube ネットワーク電極を搭載する有機性太陽電池」、応用物理の文字、 Vol. 88、 no.23、 233506 2006 年。
  23. X. Wang、 L.J. Zhi、 K. Mullenn、 「染料感光性を与え太陽電池のための Graphene の透過の、伝導性の電極」、 Nano 文字、 Vol. 8、第 1、 PP。 323-327、 2008 年
  24. V.C. タング、 L. 陳、 M.J. アレン、 J.K. Wassei、 K. ネルソン、 R.B. Kaner、および Y. ヤン、 「高性能透過コンダクターのための Graphene カーボン Nanotube のハイブリッド文書の低温解決の処理」、 Nano 文字、 Vol. 9、第 5、 PP。 1949-1955 年 2009 年。
Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:02

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