Koolstof Nanomaterials voor het Ontwerpen van de Groene Elektronika van de volgende-Generatie

Door Kaustav Banerjee

Kaustav Banerjee, Professor van de Elektro en Techniek van de Computer en Directeur van het Laboratorium van het Onderzoek Nanoelectronics bij UC Kerstman Barbara. Overeenkomstige auteur: kaustav@ece.ucsb.edu

De laag-Dimensionale allotropen van koolstof (met inbegrip van tweedimensionale graphene en ééndimensionale die koolstof nanotubes en graphene nanoribbons), gezamenlijk als koolstofnanomaterials worden bekend, hebben buitengewone fysische eigenschappen die voor hun opwindende vooruitzichten in een verscheidenheid van elektronikatoepassingen kunnen worden geëxploiteerd.

In het bijzonder, kunnen deze nanomaterials worden gebruikt om low-power, met beperkte verliezen te ontwerpen en ultra energy-efficient actieve en passieve nanoelectronic apparaten, die bijgevolg tot ongekende niveaus van integratiedichtheid en energie-efficiency in komende generaties van geïntegreerde schakelingen en elektronische producten kunnen leiden.

De structuren van alle koolstofnanomaterials kunnen uit dat van graphene worden afgeleid, die een enig-atoom-dik vlakblad van koolstofatomen2 SP-in entrepot die in een rooster worden ingepakt is van het honingraatkristal (Fig. 1a).

Een graphene nanoribbon (GNR) kan door te vormen graphene in een lint worden verkregen, terwijl een koolstof nanotube (CNT) van als opgerold lint kan worden verondersteld om een naadloze buis te vormen.

De bandstructuur van graphene heeft unieke kenmerken: de energieverspreiding (of eenvoudig van e-K) relatie is lineair dichtbij het Fermi energieniveau, die tot nul efficiënte massa voor elektronen en gaten, en daardoor aan uiterst hoge carrier mobiliteit (> 10000 cm/V-s)2 leiden.

Sommige zeer belangrijke eigenschappen van deze koolstofnanomaterials zijn geschetst in Tabel 1 samen met die van sommige gemeenschappelijke halfgeleiders en een metaal (Cu), wijzend op hun groot potentieel in de toepassingen van de volgende-generatieelektronika1. In de volgende paragrafen, schetsen wij en benadrukken kort de perspectieven op koolstofnanomaterials voor het ontwerpen van volgende generatie „groene“ elektronika.

Fig.1. (a) de atoomstructuur van CNT en GNR kwam uit een grapheneblad voort. (b) een grootte van het 2 die duimwafeltje graphene op nikkel in het Laboratorium van het Onderzoek Nanoelectronics bij (NRL) UCSB wordt gekweekt. (c) de Selectieve die koolstof nanotube groei wordt gebruikt om het patroon van embleem te vormen NRL.

Si

GaAs

GaN

Cu

SWCNT

MWCNT

Graphene of GNR

Maximum huidige dichtheid (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

Smeltpunt (k)

1687

1513

2773

1357

3800 (grafiet)

 

 

Treksterkte (GPa)

7

75

204

0.22

22.2±2.2

11-63

 

Mobiliteit (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (voor het lage smeren)

1100

-

>10000

 

>10000

Warmtegeleidingsvermogen ('103 w/m-K)

0.15

0.055

0.13

0.385

1.75-5.8

3

3-5

De Coëfficiënt van de Temperatuur van Weerstand ('10-3 /K)

-

-

-

4

<1.1

-1.37

-1.47

Beteken vrije weg (NM) @ kamertemperatuur

30

~ 300 NM (voor de Heterostructuur van AlGaAs/GaAs)

~ 20 - 30 NM (voor Heterostructuur AlGaN/GaN)

40

>103

2.5 ' 104

1 ' 103

Tabel 1. Eigenschappen van koolstofnanomaterials (enig-ommuurde CNT (SWCNT), multi-ommuurde CNT (MWCNT), en graphene nanoribbon (GNR)) in vergelijking met die van sommige die halfgeleiders (Si, GaAs, en GaN) en metaal (Cu) voor diverse elektronikatoepassingen wordt gebruikt.

Low-Power Hoge snelheid Verbindt onderling

De interconnecties van het Metaal als communicatie verband tussen miljarden transistors in moderne geïntegreerde schakelingen (ICs) worden gebruikt zijn gekomen om het centrumstadium te bezetten in het bepalen van de prestaties en machtsdissipatie van elektronische spaanders zoals microprocessors die2,3.

Typisch krachtig IC wendt verscheidene lagen van metaal aan onderling verbindt gescheiden die door materialen, met „kort-draden“ te isoleren voor lokale die mededeling en „lang-draden“ voor globale mededeling binnen een spaander worden aangewend wordt gebruikt.

Verbindt ook worden gebruikt voor het verdelen van de kloksignalen door de spaander en zijn het geweten verantwoordelijk om voor meer dan 50% van de machtsdissipatie in meeste ICs te zijn onderling. Men heeft getoond dat de vertraging van globaal kan door maximaal 50% onderling verbindt worden verminderd als CNT bundelt of multi-layer Graphene aangewend is onderling verbindt4-6. Ondertussen, als de vertraging van CNT/Graphene wordt gehouden bij de zelfde optimale vertraging van metaal (Cu) onderling verbindt onderling verbindt, verbindt CNT/Graphene zou verminderen de globale interconnect machtsconsumptie door 50% in vergelijking met dat van Cu onderling verbindt7 onderling.

Passieve Apparaten Met Beperkte Verliezen

In (millimetergolf en radiofrequentie) toepassingen ultra met hoge frekwentie, verbinden onderling de verhoogde verliezen toe te schrijven aan huid en de nabijheidsgevolgen in IC en de passieve apparaten kunnen ook beduidend tot het verminderen van de energie-efficiency van elektronische kringen en producten bijdragen.

CNT/Graphene verbindt is getoond onderling om uniek gedrag met hoge frekwentie (verminderd huideffect) ten gevolge van hun grote tijd van de impulsontspanning tentoon te stellen, die op veelbelovende toepassingen wijzen met hoge frekwentie8,9. Bijvoorbeeld, heeft men getoond dat de maximum q-Factor (een metrische het kwantificeren inductorefficiency) van een ¾ - de draaiinductor kan zijn gestegen met zo zoals veel 230% (3.3 keer) en 32% (1.3 keer) door Cu met CNTs te vervangen en graphene, respectievelijk 8,10.

CNTs is ook gekend om uitstekende thermische eigenschappen (Lijst 1) te hebben en gezien de voordelen hebben aangeboden die zij voor verrichting ultra met hoge frekwentie, zij zijn ook belovend als door-Silicium Vias (TSV) 11 --een zeer belangrijke machtigingstechnologie voor dimensionale 3 (3D) - ICs.

3-D ICs staan stapelend toe en plakkend van veelvoudige actieve lagen (substraten) en in vele halfgeleiderbedrijven rond de wereld toe te schrijven aan hun low-power vooruitzichten (als gevolg van hun verminderde interconnect lengten) en haalbaarheid van heterogeene integratie van ongelijksoortige technologieën (Si, IIIV, Graphene) en kringen achtervolgd (digitaal, analoog, RF, optica, enz.) 12.

hoog - de Apparaten van de dichtheidsEnergieopslag

Voor high-density metaal-isolatie-metaal (MIM) condensatorontwerpen, heeft men getoond dat de capacitieve weerstandsdichtheid van op CNT-Gebaseerde condensatoren zo hoog kan bereiken zoals 38.39 fF/μm2, veel groter dan de Internationale Technologie Roadmap het vereiste voor van Halfgeleiders (ITRS) van 12fF/μm2 voor het jaar 20221, die op hun uitstekend potentieel wijzen om huidige MIM condensatoren evenals andere op-spaander last-opslag gebaseerde apparaten te vervangen.

Graphene heeft ook belofte als elektrodenmaterialen in supercapacitortoepassingen toe te schrijven aan zijn groot oppervlakte-gebied aan volumeverhouding getoond. Men heeft onlangs gerapporteerd dat graphene gebaseerde supercapacitors een specifieke energiedichtheid van 85.6 W tentoonstellen·h/kg bij kamertemperatuur, veel hoger dan dat van conventionele lead-acid batterijen (typisch 30 tot 40 W·h/kg)13.

Ultra Energy-Efficient Actieve Apparaten

Meer onlangs, heeft de halfgeleiderindustrie vernieuwde rente in ultra energy-efficient transistors getuigd. Dit wordt door de behoefte gedreven om een vervangingsschakelaar voor nanoscaleMOSFET te vinden, die vormt het het werkpaard van de industrie van IC maar aan meer en meer hoge van-staatslekkage lijdt, daardoor zeer makend tot het inefficiënte energie.

Een zeer belangrijk onderzoekdoel op het gebied van ultra energy-efficient transistorontwerp is het ontwerp en de demonstratie van kleine subthreshold schommelings (SS)schakelaars (met inbegrip van tunnel-gebied effect transistors (t-FET) en (NEM) nanoelectromechanical-FET) die op VAN schakelen abrupter maakt en lekkagestroom vermindert, als uiteindelijke vervanging voor MOSFET14,15.

Nochtans, om tot dit een werkelijkheid te maken, is de demonstratie van compacte, scalable, en betrouwbare t-FETs/NEM-FETs met hoogte (MOSFET als) OP stromen, en laag VAN stromen bij lage macht-levering voltages, die geschikt zijn om logicakringen en systemen op grote schaal op te bouwen, hoogst wenselijk.

CNT en GNR zijn uitstekende materialen voor het ontwerpen van dergelijke energy-efficient actieve apparaten voor volgende-generatie groene elektronika.

Bijvoorbeeld, zijn de hoge mobiliteit en lage bandgap van graphene geëxploiteerd om een GNR gebaseerde heterojunction t-FET te ontwerpen tentoonstellend ION zo hoog zoals 1 verhouding mA/μm, ONOFF I/I zo hoog zoals 109, en SS zo klein zoals 10 mV/dec bij V=0.5DD V, en L=20ch NM16. Voorts is het begrip van de fysica van band-aan-band-een tunnel graaft (BTBT), die zeer belangrijk is aan het ontwerpen van t-FETs met om het even welk materiaal, getoond om gemakkelijk door GNR gebaseerde t-FETs worden toegelaten17. Anderzijds, is CNT een uitstekend materiaal voor het ontwerpen van NEM-FETs toe te schrijven aan hun lage massadichtheid en van hoge Jongelui modulus18.

High-Efficiency Photovoltaics

Het Efficiënte oogsten van zonne-energie door nieuwe photovoltaic apparaten is kritiek voor globale schaalvermindering van groene huisgassen. Vandaar, is het verhogen van de efficiency van photovoltaic apparaten een zeer belangrijk onderzoekdoel op het gebied van zonnecelontwerp geworden.

Een twee grootteordes verhoging van photocurrent als gevolg van het toevoegen van enig-Ommuurde CNTs (SWCNTs) aan een (P3OT) matrijs is poly-3 gemeld in een organische zonnecel19.

Men heeft ook gerapporteerd dat het gebruiken van SWCNTs als het leiden van steigers in een TiO2 gebaseerde kleurstof-gevoelig gemaakte zonnecel de photoconversionefficiency kan verdubbelen20.

De meer interessant, uiterst efficiënte veelvoudige elektron-gat paargeneratie is waargenomen in CNT toe te schrijven aan optische opwinding in tweede subband die de mogelijkheid om de thermodynamische grens (van shockley-Queisser voorstellen) te overschrijden21. Er zijn ook veel belang in het aanwenden van CNT/graphene als transparante elektroden voor zonnecel en LEIDENE toepassingen22-24.

Verwijzingen:

  1. H. Li, C. Xu, N. Srivastava, en K. Banerjee, „Koolstof Nanomaterials voor volgende-Generatie Verbinden en Passives onderling: Fysica, Status en Vooruitzichten, de“ Transacties van IEEE op de Apparaten van het Elektron, Volume 56, Nr 9, blz. 1799-1821, Sep 2009.
  2. K. Banerjee en A. Mehrotra, „Globaal (Interconnect) het Verwarmen,“ van IEEE- Kringen en van Apparaten Tijdschrift, pp.16- 32, 2001.
  3. K. Verbindt Banerjee en A. Mehrotra, een „macht-Optimale Methodologie van de Toevoeging van de Repeater voor Globaal in Ontwerpen Nanometer onderling,“ de Transacties van IEEE op de Apparaten van het Elektron, Volume 49, Nr 11, blz. 2001-2007, November 2002.
  4. N. Srivastava, H. Li, F. Kreupl, en K. Banerjee, „Op de Toepasselijkheid van enig-Ommuurde Koolstof Nanotubes als Interconnecties van VLSI,“ de Transacties van IEEE op Nanotechnologie, Volume 8, Nr 4, blz. 542-559, Juli 2009.
  5. H. Li, N. Srivastava, W.Y. Yin, K. Banerjee, en J.F. Mao, de „Modellering van de Kring en de Analyse van Prestaties van multi-Ommuurde Koolstof Nanotube Verbinden,“ de Transacties van IEEE op de Apparaten van het Elektron, Volume 55, Nr 6, blz. 1328-1337, 2008 onderling.
  6. C. Xu, H. Li, en K. Banerjee, „Modellering, Analyse en Ontwerp van nano-Lint Graphene Verbinden,“ de Transacties van IEEE op de Apparaten van het Elektron, Volume 56, No.8, blz. 1567-1578, 2009 onderling.
  7. H. Li, C. Xu, en K. Banerjee, „Koolstof Nanomaterials: Ideal Verbindt Technologie voor volgende-Generatie ICs onderling, het“ Ontwerp van IEEE en de Test van Computers, Speciale Kwestie bij het Te Voorschijn Komen Verbindt Technologieën voor Gigascale Integratie, Volume 27, Nr 4, blz. 20-31, Juli/Augustus, 2010 onderling.
  8. H. Li en K. Banerjee, „Analyse Met Hoge Frekwentie van Koolstof Nanotube Verbinden en Implicaties voor het Ontwerp van de Inductor van de op-Spaander,“ de Transacties van IEEE op de Apparaten van het Elektron, Volume 56, Nr 10, blz. 2202-2214, 2009 onderling.
  9. D. Sarkar, C. Xu, H. Li, en K. Banerjee, „Gedrag Met Hoge Frekwentie van graphene-Gebaseerd Verbinden - Deel I onderling: De Modellering van de Impedantie, de“ Transacties van IEEE op de Apparaten van het Elektron, Volume 58, Nr 3, blz. 843-852, 2011.
  10. D. Verbindt Sarkar, C. Xu, H. Li, en K. Banerjee, „Gedrag Met Hoge Frekwentie van graphene-Gebaseerd - Deel II onderling: De Analyse en de Implicaties van de Impedantie voor het Ontwerp van de Inductor, de“ Transacties van IEEE op de Apparaten van het Elektron, Volume 58, Nr 3, blz. 853-859, 2011.
  11. C. Xu, H. Li, R. Suaya en K. Banerjee, de „Compacte AC Modellering en Analyse van Prestaties van door-Silicium Vias (TSVs) in 3-D ICs,“ de Transacties van IEEE van de Apparaten van het Elektron, Volume 57, Nr 12, blz. 3405-3417, Dec. 2010.
  12. K. Banerjee, S.J. Souri, P. Kapur, en K.C. Saraswat, „3-D ICs: Een Nieuw Ontwerp van de Spaander voor het Verbeteren van Diep Submicron Verbindt Prestaties en systeem-op-Spaander Integratie onderling,“ Werkzaamheden van IEEE, Volume 89, Nr 5, blz. 602-633, Mei 2001.
  13. C. Liu, Z. Yu, D. Neff, A. Zhamu, en B.Z. Jang, „op graphene-Gebaseerde Suppercapacitor met een Ultrahoge Dichtheid van de Energie,“ Nano Brieven, Volume 10, blz. 4863-4868, 2010.
  14. H.F. Dadgour en K. Banerjee, „Hybride Geïntegreerde Schakelingen nems-CMOS: Een Nieuwe Strategie voor Energy-Efficient Ontwerpen,“ Transacties IET op Computers en Digitale techniek-Speciale Kwestie op Vooruitgang in Kringen Nanoelectronics en Systemen, Volume 3, Nr 6, blz. 593-608, Nov. 2009.
  15. Y. Khatami en K. Banerjee, „Steile Subthreshold Helling n en p-type de Apparaten van tunnel-FET voor Low-Power en Energy-Efficient Digitale Kringen,“ de Apparaten van het Elektron van IEEE Trans., Volume 56, blz. 2752-2761, 2009.
  16. Y. Khatami, M. Krall, H. Li., C. Xu., K. Banerjee, „Graphene Gebaseerde tunnel-FETs van de Heterostructuur voor Zwakstroom/Krachtige ICs,“ de 68ste Conferentie van het Onderzoek van het Apparaat (DRC), 2010, blz. 65-66.
  17. D. Sarkar, M. Krall, en K. Banerjee, „elektron-Gat Dualiteit Tijdens band-aan-Band het Een Tunnel Graven Proces in tunnel-gebied-Gevolg graphene-Nanoribbon Transistors,“ de Toegepaste Brieven van de Fysica, Volume 97, Nr 26, p. 263109, 2010.
  18. H. Dadgour, A.M. Cassell en K. Banerjee, „het Schrapen en van de Veranderlijkheid Analyse van CNT-Gebaseerde Apparaten NEMS en Kringen met Implicaties voor het Ontwerp van het Proces,“ Apparaten die van het Elektron van IEEE de Internationale, (IEDM) blz. 529-532, 2008 Samenkomen.
  19. E. Kymakis, I. Alexandrou, G.A.J. Amaratunga, de „Hoge Open-Circuit Photovoltaic Apparaten van het Voltage van koolstof-Nanotube-Polymeer Samenstellingen,“ Vooruitgang in Photovoltaics: Onderzoek en Toepassingen, Volume 93, nr 3, blz. 1764-1768, 2003.
  20. A. Kongkanand, R.M. Dominguez, P.V. Kamat, de „Enige Steigers van Nanotube van de Koolstof van de Muur voor Zonnecellen Photoelectrochemical: Vang en Vervoer van Elektronen Photogenerated,“ Nano Brieven, Volume 7, no.3, blz. 676-680, 2007.
  21. N.M. Gabor, Z. Zhong, K. Bosnick, J. Park, en P.L. McEuen, de „Uiterst Efficiënte Veelvoudige elektron-Gat Generatie van het Paar in de Fotodiodes van Nanotube van de Koolstof“, Wetenschap, Volume 325, 1367, 2009.
  22. M.W. Rowell, M.A. Topinka; M.D. McGehee, H. - J. Prall, G. Dennler, N.S. Sariciftci, L. HU, G. Gruner, „Organische Zonnecellen met de Elektroden van het Netwerk van Nanotube van de Koolstof,“ de Toegepaste Brieven van de Fysica, Volume 88, no.23, 233506, 2006.
  23. X. Wang, L.J. Zhi, K. Müllen, „Transparante, Geleidende Elektroden Graphene voor kleurstof-Gevoelig gemaakte Zonnecellen,“ Nano Brieven, Volume 8, nr 1, blz. 323-327, 2008
  24. V.C. Tungboom, L. Chen, M.J. Allen, J.K. Wassei, K. Nelson, R.B. Kaner, en Y. Yang, de „Verwerking Bij Lage Temperatuur van de Oplossing van graphene-Koolstof de Hybride Materialen van Nanotube voor Krachtige Transparante Leiders“, Nano Brieven, Volume 9, nr 5, blz. 1949-1955, 2009.
Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:50

Tell Us What You Think

Do you have a review, update or anything you would like to add to this article?

Leave your feedback
Submit