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Nanomaterials do Carbono para Projetar a Eletrônica Verde da Próxima geração

Por Kaustav Banerjee

Kaustav Banerjee, Professor de Elétrico e Engenharia Informática e Director do Laboratório de Pesquisa de Nanoelectronics em UC Santa Barbara. Autor Correspondente: kaustav@ece.ucsb.edu

os alótropos Baixo-Dimensionais do carbono (incluindo o graphene bidimensional e nanotubes de uma dimensão do carbono e nanoribbons do graphene), conhecidos colectivamente como nanomaterials do carbono, têm as propriedades físicas extraordinárias que podem ser exploradas para suas perspectivas emocionantes em uma variedade de aplicações da eletrônica.

Em particular, estes nanomaterials podem ser usados para projectar os dispositivos nanoelectronic activos e passivos da baixa potência, os de pequenas perdas e os ultra energia-eficientes, que podem conseqüentemente conduzir aos níveis inauditos de densidade e de uso eficaz da energia da integração em gerações de vinda de circuitos integrados e de produtos eletrônicos.

As estruturas de todos os nanomaterials do carbono podem ser derivadas daquele do graphene, que é uma folha planar único-átomo-grossa dos átomos2 de carbono sp-ligados embalados em uma estrutura de cristal do favo de mel (Fig. 1a).

Um nanoribbon do graphene (GNR) pode ser obtido modelando o graphene em uma fita, quando um nanotube do carbono (CNT) puder ser pensado como do rolado acima da fita para formar uma câmara de ar sem emenda.

A estrutura de faixa do graphene tem características originais: a relação da dispersão da energia (ou simplesmente o E-k) é próxima linear o nível de energia de Fermi, conduzindo à massa eficaz zero para elétrons e furos, e desse modo à mobilidade de portador extremamente alta (> 10000 cm/V-s2).

Algumas propriedades chaves destes nanomaterials do carbono são esboçadas na Tabela Mim junto com aquelas de alguns semicondutores comuns e de um metal (Cu), indicando seu grande potencial em aplicações da eletrônica da próxima geração1. Nos seguintes parágrafos, nós momentaneamente esboçamos e destacamos as perspectivas de nanomaterials do carbono para projetar a eletrônica “verde” da próxima geração.

Fig.1. (a) A estrutura atômica de CNT e GNR derivados de um graphene cobrem. (b) Um graphene do tamanho da bolacha de 2 polegadas crescido no níquel no Laboratório de Investigação de Nanoelectronics (NRL) no UCSB. (c) Crescimento Selectivo do nanotube do carbono usado para formar o teste padrão do logotipo de NRL.

Si

GaAs

GaN

Cu

SWCNT

MWCNT

Graphene ou GNR

Densidade actual Máxima (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

Ponto de Derretimento (K)

1687

1513

2773

1357

3800 (grafite)

 

 

Resistência à tracção (GPa)

7

75

204

0,22

22.2±2.2

11-63

 

Mobilidade (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (para a lubrificação do ponto baixo)

1100

-

>10000

 

>10000

Condutibilidade Térmica ('103 W/m-K)

0,15

0,055

0,13

0,385

1.75-5.8

3

3-5

Coeficiente de Temperatura da Resistência ('10-3 /K)

-

-

-

4

<1.1

-1,37

-1,47

Temperatura ambiente do trajecto livre Médio (nanômetro) @

30

~ 300 nanômetro (para a Heterostrutura de AlGaAs/GaAs)

~ 20 - 30 nanômetro (para a Heterostrutura de AlGaN/GaN)

40

>103

2,5' 104

1' 103

Apresente I. Propriedade de nanomaterials do carbono (CNT único-murado (SWCNT), CNT multi-murado (MWCNT), e nanoribbon do graphene (GNR)) em comparação com aqueles de alguns semicondutores (Si, GaAs, e GaN) e de metal (Cu) usado para várias aplicações da eletrônica.

A baixa potência De Alta Velocidade Interconecta

As interconexões do Metal usadas como as relações de comunicação entre biliões de transistor nos circuitos integrados modernos (CI) vieram ocupar o lugar central em determinar o desempenho e a dissipação de potência de microplaquetas eletrônicas tais como os microprocessadores2,3.

Um IC de capacidade elevada típico emprega diversas camadas de metal interconecta separado por materiais de isolamento, com os “curto-fios” empregados para uma comunicação local e os “longo-fios” usados para uma comunicação global dentro de uma microplaqueta.

Interconnects igualmente é usada distribuindo os sinais de pulso de disparo durante todo a microplaqueta e conhecida para ser responsável para sobre 50% da dissipação de potência na maioria de CI. Mostrou-se que o atraso de global interconecta pode ser reduzido por até 50% se CNT empacota ou a multi-camada Graphene interconecta está empregada4-6. Entrementes, se o atraso de CNT/Graphene interconecta são mantidos no mesmo atraso óptimo do metal (Cu) interconecta, CNT/Graphene interconecta reduziria o consumo de potência global da interconexão por 50% comparado àquele do Cu interconecta7.

Dispositivos Passivos De Pequenas Perdas

(Onda de milímetro e radiofrequência) em aplicações ultra de alta freqüência, as perdas aumentadas devendo descascar e os efeitos de proximidade no IC interconectam e os dispositivos passivos podem igualmente contribuir significativamente a reduzir o uso eficaz da energia de circuitos eletrônicos e de produtos.

CNT/Graphene interconecta foi mostrado para exibir o comportamento de alta freqüência original (efeito de pele reduzido) devido a seu grande tempo de abrandamento do impulso, indicando aplicações de alta freqüência de promessa8,9. Por exemplo, mostrou-se que o Q-Factor máximo (uma eficiência de determinação métrica do indutor) de um ¾ - o indutor da volta pode ser aumentado perto tanto quanto 230% (3,3 vezes) e 32% (1,3 vezes) substituindo o Cu com o CNTs e o graphene, respectivamente 8,10.

CNTs é conhecido igualmente para ter propriedades térmicas excelentes (Tabela 1) e à luz dos benefícios oferecem para a operação ultra de alta freqüência, igualmente estão prometendo como o Através-Silicone Vias (TSV) 11 --uma tecnologia de possibilidade chave para 3 dimensionais (3D) - CI.

os CI 3-D reservam empilhar e ligar-se de camadas activas múltiplas (carcaças) e estão sendo levados a cabo em muitas empresas do semicondutor em todo o mundo devido a suas perspectivas da baixa potência (que resultam de seus comprimentos reduzidos da interconexão) e a possibilidade da integração heterogênea de tecnologias díspares (Si, III-V, Graphene) e de circuitos (digital, análogo, RF, sistema ótico, etc.) 12.

Dispositivos high-density do Armazenagem De Energia

Para projectos high-density (MIM) do capacitor do metal-isolador-metal, mostrou-se que a densidade de capacidade de capacitores CNT-baseados pode alcançar tão altamente quanto 38,39 fF/μm2, muito maiores do que o Mapa Rodoviário Internacional da Tecnologia para uma exigência dos Semicondutores (ITRS) de 12fF/μm2 pelo ano 20221, indicando seu potencial excelente substituir capacitores da corrente MIM assim como outros dispositivos baseados carga-armazenamento da em-microplaqueta.

Graphene igualmente mostrou a promessa como materiais do eléctrodo nas aplicações do supercapacitor devido a sua grande superfície-área à relação do volume. Tem-se relatado recentemente que os supercapacitors baseados graphene exibem uma densidade de energia específica de 85,6 W·h/kg na temperatura ambiente, muito mais altamente do que aquela das baterias acidificadas ao chumbo convencionais (tipicamente 30 a 40 W·h/kg)13.

Dispositivos Activos Ultra Energia-Eficientes

Mais recentemente, a indústria do semicondutor testemunhou o interesse renovado em transistor ultra energia-eficientes. Isto é conduzido pela necessidade de encontrar um interruptor da substituição para o MOSFET do nanoscale, que forma o cavalo do trabalho da indústria do IC mas sofre do escapamento cada vez mais alto do fora-estado, fazendo desse modo lhe muito a energia incapaz.

Um objetivo chave da pesquisa na área do projecto ultra energia-eficiente do transistor é o projecto e a demonstração de interruptores subthreshold pequenos (SS) do balanço (incluindo os transistor do efeito do túnel-campo (T-FET) e (NEM) o Nanoelectromechanical-FET) que faz SOBRE FORA a comutar mais abrupto e reduz a corrente do escapamento, como uma substituição eventual para o MOSFET14,15.

Contudo, para fazer a isto uma realidade, a demonstração de T-FETs/NEM-FETs compacto, evolutivo, e seguro com elevação (o MOSFET gosta) Em correntes, e baixo FORA das correntes nas baixas tensões da potência-fonte, que são apropriadas para construir circuitos e sistemas em grande escala de lógica, é altamente desejável.

CNT e GNR são materiais excelentes para projetar tais dispositivos activos energia-eficientes para a eletrônica do verde da próxima geração.

Por exemplo, a mobilidade alta e o baixo bandgap do graphene foram explorados para projectar uma heterojunção baseada GNR T-FET que exibe ION tão altamente quanto 1 mA/μm, relaçãoONOFF de I/I tão altamente quanto 109, e SS tão pequenos quanto 10 mV/dec em V=0.5DD V, e em L=20ch nanômetro16. Além Disso, compreender a física da faixa-à-faixa-escavação de um túnel (BTBT), que é chave a projetar T-FETs com todo o material, foi mostrada para ser permitida facilmente por T-FETs baseados GNR17. Por outro lado, CNT é um material excelente para projetar os NEM-FETs devido a seus densidade da baixa massa e módulo Young alto18.

Photovoltaics De grande eficacia

A colheita Eficiente da energia solar através dos dispositivos fotovoltaicos novos é crítica para a redução global da escala de gáss da casa verde. Daqui, aumentar a eficiência de dispositivos fotovoltaicos transformou-se um objetivo chave da pesquisa na área do projecto da célula solar.

Um realce de dois ordens de grandeza de resultar photocurrent de adicionar CNTs Único-Murado (SWCNTs) a uma matriz de poly-3-octylthiophene (P3OT) foi relatado em uma célula solar orgânica19.

Igualmente relatou-se que usar SWCNTs como conduzindo andaimes em um TiO2 baseado tintura-sensibilizou a célula solar pode dobrar a eficiência do photoconversion20.

Mais interessante, a geração de pares múltipla extremamente eficiente do elétron-furo foi observada em CNT devido à excitação óptica no segundo subband que sugere a possibilidade de exceder o limite termodinâmica (de Shockley-Queisser)21. Há igualmente uns lotes do interesse em empregar CNT/graphene como os eléctrodos transparentes para a célula solar e as aplicações do DIODO EMISSOR DE LUZ22-24.

Referências:

  1. H. Li, C. Xu, N. Srivastava, e K. Banerjee, do “Nanomaterials Carbono para a Próxima geração Interconectam e Vozes Passivas: Física, Estado e Perspectivas, de” Transacções IEEE nos Dispositivos de Elétron, Vol. 56, No. 9, pp. 1799-1821, Em setembro de 2009.
  2. K. Banerjee e A. Mehrotra, “Compartimento (Interconexão) Aquecimento,” dos Circuitos de IEEE e dos Dispositivos Globais, pp.16- 32, 2001.
  3. K. Banerjee e A. Mehrotra, “Uma Metodologia Potência-Óptima da Inserção do Repetidor para Global Interconectam em Projectos do Nanômetro,” Transacções de IEEE nos Dispositivos de Elétron, Vol. 49, No. 11, pp. 2001-2007, Em novembro de 2002.
  4. N. Srivastava, H. Li, F. Kreupl, e K. Banerjee, “Na Aplicabilidade do Carbono Nanotubes Único-Murar como Interconexões do VLSI,” Transacções de IEEE na Nanotecnologia, Vol. 8, No. 4, pp. 542-559, Em julho de 2009.
  5. H. Li, N. Srivastava, W.Y. Yin, K. Banerjee, e J.F. Mao, do “a Modelagem Circuito e a Análise de Desempenho do Carbono Nanotube Multi-Murar Interconectam,” Transacções de IEEE nos Dispositivos de Elétron, Vol. 55, No. 6, pp. 1328-1337, 2008.
  6. C. Xu, H. Li, e K. Banerjee, “Modelagem, Análise e Projecto da Nano-Fita de Graphene Interconectam,” Transacções de IEEE nos Dispositivos de Elétron, Vol. 56, No.8, pp. 1567-1578, 2009.
  7. H. Li, C. Xu, e K. Banerjee, do “Nanomaterials Carbono: A Tecnologia Ideal da Interconexão para a Próxima geração CI, de” Projecto IEEE e Teste dos Computadores, Edição Especial em Tecnologias Emergentes da Interconexão para a Integração de Gigascale, Vol. 27, No. 4, pp. 20-31, Julho Agosto de 2010.
  8. H. Li e K. Banerjee, “Análise De Alta Freqüência do Carbono Nanotube Interconectam e Implicações para o Projecto do Indutor da Em-Microplaqueta,” Transacções de IEEE nos Dispositivos de Elétron, Vol. 56, No. 10, pp. 2202-2214, 2009.
  9. D. Sarkar, C. Xu, H. Li, e K. Banerjee, “Comportamento De Alta Freqüência do Graphene-Baseado Interconectam - a Peça Mim: Impedância que Modela, de” Transacções IEEE nos Dispositivos de Elétron, Vol. 58, No. 3, pp. 843-852, 2011.
  10. D. Sarkar, C. Xu, H. Li, e K. Banerjee, “Comportamento De Alta Freqüência do Graphene-Baseado Interconectam - a Parte II: A Análise e as Implicações da Impedância para o Indutor Projectam, de” Transacções IEEE nos Dispositivos de Elétron, Vol. 58, No. 3, pp. 853-859, 2011.
  11. C. Xu, H. Li, R. Suaya e K. Banerjee, “Modelagem da C.A. e Análise de Desempenho Compactas do Através-Silicone Vias (TSVs) em CI 3-D,” Transacções de IEEE nos Dispositivos de Elétron, Vol. 57, No. 12, pp. 3405-3417, Em dezembro de 2010.
  12. K. Banerjee, S.J. Souri, P. Kapur, e K.C. Saraswat, “CI 3-D: Um Projecto de Microplaqueta Novo para Melhorar o Desempenho da Interconexão e a Integração Submicrónicos Profundos da Sistema-em-Microplaqueta,” Continuações do IEEE, Vol. 89, No. 5, pp. 602-633, Em maio de 2001.
  13. C. Liu, Z. Yu, D. Neff, A. Zhamu, e B.Z. Jang, “Graphene-Basearam Suppercapacitor com uma Densidade de Energia Ultrahigh,” as Letras Nano, Vol. 10, pp. 4863-4868, 2010.
  14. H.F. Dadgour e K. Banerjee, “Circuitos Integrados Híbridos de NEMS-CMOS: Uma Estratégia Nova para Projectos Energia-Eficientes, de” Transacções IET em Computadores e a Edição Técnica-Especial de Digitas em Avanços nos Circuitos de Nanoelectronics e nos Sistemas, Vol. 3, No. 6, pp. 593-608, Em novembro de 2009.
  15. Y. Khatami e K. Banerjee, “Inclinação Subthreshold Íngreme n e p-tipo Dispositivos do Túnel-FET para a Baixa potência e Circuitos de Digitas Energia-Eficientes,” Transporte de IEEE. Dispositivos de Elétron, Vol. 56, pp. 2752-2761, 2009.
  16. Y. Khatami, M. Krall, H. Li., C. Xu., K. Banerjee, “Graphene Baseou Túnel-FETs da Heterostrutura para CI De Baixa Voltagem/De capacidade elevada,” a 68th Conferência da Pesquisa do Dispositivo (DRC), 2010, pp. 65-66.
  17. D. Sarkar, M. Krall, e K. Banerjee, do “Dualidade Elétron-Furo Durante o Processo da Escavação De Um Túnel da Faixa-à-Faixa em Transistor do Túnel-Campo-Efeito de Graphene-Nanoribbon,” Letras da Física Aplicada, Vol. 97, No. 26, P. 263109, 2010.
  18. H. Dadgour, A M. Cassell e Análise de K. Banerjee, de “Escamação e de Variabilidade de Dispositivos e de Circuitos CNT-Basear NEMS com Implicações para o Projecto de Processo,” Dispositivos de Elétron Internacionais que Encontram-se, (IEDM) pp de IEEE. 529-532, 2008.
  19. E. Kymakis, I. Alexandrou, G.A.J. Amaratunga, da “Dispositivos Fotovoltaicos Alta Tensão do Aberto-Circuito dos Compostos do Carbono-Nanotube-Polímero,” Progresso em Photovoltaics: Pesquisa e Aplicações, Vol. 93, No. 3, pp. 1764-1768, 2003.
  20. A. Kongkanand, R.M. Domínguez, P.V. Kamat, “Únicos Andaimes de Nanotube do Carbono da Parede para Células Solares de Photoelectrochemical: Captação e Transporte de Elétrons de Photogenerated,” Letras Nano, Vol. 7, no.3, pp. 676-680, 2007.
  21. N.M. Gabor, Z. Zhong, K. Bosnick, J. Parque, e P.L. McEuen, “Geração de Pares Múltipla Extremamente Eficiente do Elétron-Furo em Fotodiodos de Nanotube do Carbono”, Ciência, Vol. 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, “Células Solares Orgânicas com os Eléctrodos da Rede de Nanotube do Carbono,” Letras da Física Aplicada, Vol. 88, no.23, 233506, 2006.
  23. X. Wang, L.J. Zhi, K. Müllen, “Eléctrodos Transparentes, Condutores de Graphene para Células Solares Tintura-Sensibilizar,” Letras Nano, Vol. 8, No. 1, pp. 323-327, 2008
  24. V.C. Tung, L. Chen, M.J. Allen, J.K. Wassei, K. Nelson, R.B. Kaner, e Y. Yang, “Processamento De Baixa Temperatura da Solução de Materiais Híbridos de Nanotube do Graphene-Carbono para Condutores Transparentes De capacidade elevada”, Letras Nano, Vol. 9, No. 5, pp. 1949-1955, 2009.
Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:14

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