차세대 녹색 전자공학 디자인을 위한 탄소 Nanomaterials

Kaustav Banerjee

교수 그리고 UC 산타바바라에 Nanoelectronics 연구소의 전기와 컴퓨터 공학의 디렉터, Kaustav Banerjee. 대응 저자: kaustav@ece.ucsb.edu

공동으로 탄소 nanomaterials로 알려져 있는 탄소의 낮 차원 동소체에는 (를 포함하여 2차원 graphene 및 1차원적인 탄소 nanotubes 및 graphene nanoribbons), 다양한 전자공학 응용에 있는 그들의 활발한 장래성을 위해 이용될 수 있는 특별한 유형 자산이 있습니다.

특히, 이 nanomaterials는 직접 회로와 전자 제품의 오는 발생에 있는 통합 조밀도 그리고 에너지 효율성의 전례가 없는 수준으로 그 결과로 이끌어 낼 수 있는 저전력의, 저손실과 매우 에너지 효과 액티브한 수동적인 nanoelectronic 장치를 디자인하기 위하여 이용될 수 있습니다.

모든 탄소 nanomaterials의 구조물은 벌집 결정 격자 (FIG. 1a)에서 포장된 sp 보세품 탄소 원자의2 단 하나 원자 두꺼운 평면 장인 graphene의 그것에서 파생될 수 있습니다.

graphene nanoribbon는 (GNR) 리본으로 graphene를 모방해서 탄소 nanotube는 이음새가 없는 관을 형성하는 위하여 리본 (CNT) 높은 쪽으로 구르는으로 생각되는 수 있는 그러나, 장악될 수 있습니다.

graphene의 띠 구조에는 유일한 특성이 있습니다: 에너지 분산 (또는 단순히 E-k) 관계는 선형 가깝습니다 전자와 구멍을 위한 영 유효 질량 그리고 그로 인하여 극단적으로 높은 운반자 이동도 (> 10000 cm/V-s)로 이끌어 내는 페르미 에너지 수준2.

이 탄소 nanomaterials의 몇몇 중요한 속성은 몇몇 일반적인 반도체 및 금속 (Cu)의 그들과 더불어 도표 I에 설명되, 차세대 전자공학 응용에 있는 그들의 중대한 잠재력을 표시하1. 뒤에 오는 절에서는, 우리는 간단히 차세대 "녹색" 전자공학 디자인을 위한 탄소 nanomaterials의 장래성을 설명하고 강조합니다.

Fig.1. (a) CNT의 원자 구조 및 graphene에서 파생된 GNR는 시트를 깝니다. (b) UCSB에 Nanoelectronics 연구소에 있는 니켈에 증가되는 2 인치 웨이퍼 (NRL) 규모 graphene. (c) NRL 로고의 패턴을 형성하기 위하여 이용되는 선택적인 탄소 nanotube 성장.

Si

GaAs

GaN

Cu

SWCNT

MWCNT

Graphene 또는 GNR

최대 전류밀도 (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

융해점 (k)

1687년

1513년

2773

1357년

3800 (흑연)

 

 

장력 강도 (GPa)

7

75

204

0.22

22.2±2.2

11-63

 

기동성 (cm/V-s2)

1400년

8500-9500 (낮은것 진한 액체로 처리를 위해)

1100년

-

>10000

 

>10000

열 전도도 ('103 W/m-K)

0.15

0.055

0.13

0.385

1.75-5.8

3

3-5

저항 ('10 /K)의-3 온도 계수

-

-

-

4

<1.1

-1.37

-1.47

비열한 자유로운 경로 (nm) @ 실내 온도

30

~ 300 nm (AlGaAs/GaAs 헤테로 구조체를 위해)

~ 20 - 30 nm (AlGaN/GaN 헤테로 구조체를 위해)

40

>103

2.5' 104

1' 103

몇몇 반도체 (Si, GaAs 및 GaN) 및 각종 전자공학 응용에 사용된 금속 (Cu)의 그들 (GNR)과 비교하여 탄소 nanomaterials (단 하나 벽으로 막힌 CNT (SWCNT), 다중 벽으로 막힌 CNT (MWCNT), 및 graphene nanoribbon)의 I. Properties을 탁상에 놓으십시오.

저전력 고속은 상호 연락합니다

현대 직접 회로 (IC)에 있는 트랜지스터의 10억 사이 통신 연결로 사용된 금속 상호 연락은 소형 처리기와 같은 전자 칩의 성과 그리고 전력 흩어지기 결정에 있는 센터 스테이지를 점유하기 위하여 왔습니다2,3.

전형적인 고성능 IC는 금속의 몇몇 층을 상호 연락합니다, 현지 커뮤니케이션을 위해 채택된 "짧 철사" 및 "길 철사"가 단열 물질로 분리해 칩 내의 글로벌 커뮤니케이션에 사용된 상태에서 채택합니다.

Interconnects 또한 칩을 통하여 클럭 신호 분산을 위해 사용되고 대부분의 IC에 있는 전력 흩어지기의 50% 이상에 책임 있기 위하여 알려집니다. CNT가 묶거나 다중층 Graphene가 고용되면 상호 연락하는 경우에 글로벌의 지연이 50%까지 씩 감소될 수 있다는 것을 상호 연락한다는 것을 보였습니다4-6. 그 사이에, CNT/Graphene의 지연이 상호 연락하는 경우에 금속 (Cu)의 동일 최적 지연에 상호 연락합니다, CNT/Graphene 상호 연락합니다 감소시킬 것입니다 Cu의 그것과 비교된 50% 씩 글로벌 내부 연락 전력 소비를 상호 연락합니다 지켜집니다7.

저손실 수동적인 장치

매우 고주파 (밀리미터 파와 고주파) 응용에서는, 벗기게 만기가 된 증가한 손실 및 IC에 있는 근접 효과는 상호 연락하고 수동적인 장치는 또한 전자 회로 및 제품의 에너지 효율성을 감소시키기에 중요하게 기여할 수 있습니다.

CNT/Graphene는 약속 고주파 응용을 표시하는 그들의 큰 기세 이완 시간 때문에 유일한 고주파 행동 (감소된 표피 효과)를 과시하기 위하여 보였습니다 상호 연락합니다8,9. 예를 들면, ¾의 최대 Q 요인 (미터 양을 정하는 유도체 효율성) 보였습니다 - 회전 유도체는 230% (3.3 시간)와 32% (1.3 시간) 만큼 CNTs와 graphene로 Cu를 교환해서, 각각 곁에 증가시킬 수 있습니다 8,10.

CNTs에는 또한 이득 우수한 열 속성 (에 비추어 도표 1)가와 매우 고주파 작동을 위해 제안하는 있기 위하여 알려집니다, 또한 를 통하여 실리콘 Vias로 약속하고 있습니다 (TSV) 11 --3 차원을 위한 중요한 가능하게 하는 기술 (3D) - IC.

3번째 IC는 다중 액티브한 층 (기질)의 겹쳐 쌓이고 접착시키는 허용하고 (그들의 감소된 내부 연락 길이에서 유래하는) 그들의 저전력 장래성 및 이종 기술 (Si, III-V, Graphene)와 회로 (디지털, 아날로그, RF, 광학, etc.)의 이질적인 통합의 실행가능 때문에 전세계 많은 반도체 회사에서 추격되고 있습니다 12.

고밀도 에너지 저장 장치

고밀도 금속 절연체 금속 축전기 (MIM) 디자인을 위해, 보여, CNT 기지를 둔 축전기의 용량 조밀도가 년간 2022년 12fF/μm의 반도체2 (ITRS) 필수품을 위한 국제적인 기술 도로 지도 보다는 더 큰 38.39 fF/μm 처럼, 매우2 높이 도달할 수 있다는 것을1 현재 MIM 축전기 뿐 아니라 그밖 에 칩 책임 저장에 기지를 둔 장치를 대체하는 그들의 우수한 잠재력을 표시하.

Graphene는 또한 양 비율에 그것의 큰 표면 지역 때문에 supercapacitor 응용에 있는 전극 물자로 약속을 보여주었습니다. graphene에 기지를 둔 supercapacitors가 85.6 W의 특정 에너지 밀도를 전시한다는 것을 최근에 보고되었습니다·실내 온도에 h/kg, 전통적인 지도 산 건전지 (40 W의 그것 보다는 매우 높이에 전형적으로 30·h/kg)13.

매우 에너지 효과 액티브한 장치

최근에, 반도체 산업은 매우 에너지 효과 트랜지스터에 있는 경신한 관심사를 목격했습니다. 이것은 IC 산업의 일 말을 형성하는 nanoscale MOSFET를 위한 보충 스위치를 찾아내는 필요에 의해 몰고 그러나 그것에게 에너지를 효과 없는 아주 하는 점점 높은 떨어져 국가 누설 때문에, 그로 인하여 손해를 입습니다.

매우 에너지 효과 트랜지스터 디자인의 지역에 있는 중요한 연구 목표는 MOSFET를 위한 최후 보충으로 작은 역치하 (SS) 그네 스위치의 디자인 그리고 데몬스트레이션 (를 포함하여 갱도 필드 (NEM) 효력 트랜지스터 (T-FET) 및 Nanoelectromechanical FET) 더 갑작스럽 전환 떨어져 위에 만들고 누설 현재를 감소시키는 입니다14,15.

그러나, 현재에 이것에게 현실을, 최고를 가진 조밀하고, 오를 수 있고는, 믿을 수 있는 T FETs/NEM FETs의 데몬스트레이션은 (MOSFET는 좋아합니다), 대규모 논리 회로 및 시스템 건설을 위해 적당한, 낮은 힘 공급 전압에 현재 떨어져 낮은 하기 매우 바람직합니다.

CNT와 GNR는 차세대 녹색 전자공학을 위한 그 같은 에너지 효과 액티브한 장치 디자인을 위한 우수한 물자입니다.

예를 들면, graphene의 높은 기동성 그리고 낮은 bandgap는 그리고 L=20 nm 작았던 10 높게는 1ON mA/μm, I/I 비율, 및 SSONOFF I를 V=0.5 V9에 10 mV/dec 처럼 높게는 전시하는 디자인하기 위하여,DD GNR에 기지를 둔 이질 접합 T-FET를ch 이용되었습니다16. 더욱, 어떤 물자든지를 가진 (BTBT) T FETs 디자인에 중요한, 악대 에 악대 터널을 파기의 물리학을 이해하는 것은 쉽게 GNR에 기지를 둔 T FETs에 의해 가능하게 되기 위하여 보였습니다17. 다른 한편으로는, CNT는 그들의 낮은 질량 조밀도 및 높은 Young 계수 때문에 NEM FETs 디자인을 위한 우수한 물자입니다18.

높 효율성 Photovoltaics

비발한 광전지 장치를 통해서 태양 에너지의 능률적인 가을걷이는 비닐하우스 가스의 글로벌 가늠자 감소를 위해 중요합니다. 그러므로, 광전지 장치의 효율성을 증가하는 것은 태양 전지 디자인의 지역에 있는 중요한 연구 목표가 되었습니다.

많은 3 octylthiophene (P3OT) 매트릭스에 단 하나 벽으로 막힌 CNTs (SWCNTs) 추가에서 photocurrent 유래의 증진 2개의 크기 순서는 유기 태양 전지에서 보고되었습니다19.

기지를 둔 TiO에 있는 비계를 수행해서 태양 전지를 염료 민감하게 한 대로 SWCNTs를 사용한다는 것은 것이 photoconversion2 효율성을 두배로 한다는 것은 수 있다는 것은 또한 보고되었습니다20.

더 흥미롭게, (Shockley-Queisser) 열역학 한계 초과의 가능성을 건의해 극단적으로 능률적인 다중 전자 구멍 쌍 발생은 두번째 버금띠에서로 광학적인 흥분 때문에 CNT 관찰되었습니다21. 또한 태양 전지 및 LED 응용을 위한 투명한 전극으로 CNT/graphene 채택에 있는 관심사의 제비가 있습니다22-24.

참고:

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

Last Update: 14. June 2013 07:05

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