Nanomaterials Углерода для Конструировать Электронику Следующего поколени Зеленую

Kaustav Banerjee

Kaustav Banerjee, Профессор Электрического и Компьутерный Инженер и Директор Исследовательской Лабаратории Nanoelectronics на UC Санта-Барбара. Соответствуя автор: kaustav@ece.ucsb.edu

Низк-Габаритные аллотропы углерода (включая плоское graphene и одноразмерные nanotubes углерода и nanoribbons graphene), собирательно известные как nanomaterials углерода, имеют внесметные физические свойства которые можно эксплуатировать для их exciting перспективностей в разнообразие применениях электроники.

В частности, эти nanomaterials можно использовать для того чтобы конструировать малоэнергичные, малопотертые и ультра с низким энергопотреблением активные и пассивные nanoelectronic приборы, которые могут следовательно вести к беспрецедентный уровням плотности и выхода по энергии внедрения в приходя поколениях интегральных схема и электронных продуктов.

Структуры всех nanomaterials углерода можно вывести от того из graphene, которое одиночн-атом-толщиной плоскостной лист sp-скрепленных2 атомов углерода упакованных в решетке сота кристаллической (FIG. 1a).

Nanoribbon graphene (GNR) может быть получено путем делать по образцу graphene в тесемку, пока nanotube углерода (CNT) можно думать как свернутое вверх по тесемке для того чтобы сформировать безшовную пробку.

Лентообразная структура graphene имеет уникально характеристики: отношение рассеивания энергии (или просто E-k) линейные близко энергетический уровень Ферми, водя к zero эффективной массе для электронов и отверстий, и таким образом к весьма высокой удобоподвижности несущей (> 10000 cm/V-s2).

Некоторые ключевые свойства этих nanomaterials углерода конспектированы в Таблице I вместе с тем из некоторых общих полупроводников и металла (Cu), показывающ их большой потенциал в применениях электроники следующего поколени1. В следующих параграфах, мы кратко конспектируем и выделяем перспективности nanomaterials углерода для конструировать электронику следующего поколени «зеленую».

Fig.1. (a) Атомное строение CNT и GNR выведенные от graphene покрывают. (b) 2-дюймовое graphene размера вафли, котор росли на никеле в Исследовательской Лабаратории Nanoelectronics (NRL) на UCSB. (c) Селективный рост nanotube углерода используемый для того чтобы сформировать картину логоса NRL.

Si

GaAs

GaN

Cu

SWCNT

MWCNT

Graphene или GNR

Максимальная концентрация тока (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

Точка плавления (K)

1687

1513

2773

1357

3800 (графит)

 

 

Прочность на растяжение (GPa)

7

75

204

0,22

22.2±2.2

11-63

 

Удобоподвижность (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (для давать допинг низкого уровня)

1100

-

>10000

 

>10000

Термальная проводимость ('103 W/m-K)

0,15

0,055

0,13

0,385

1.75-5.8

3

3-5

Коэффициент Температуры Сопротивления ('10-3 /K)

-

-

-

4

<1.1

-1,37

-1,47

Средняя комнатная температура длины свободного пути (nm) @

30

~ 300 nm (для Гетероструктуры AlGaAs/GaAs)

~ 20 до 30 nm (для Гетероструктуры AlGaN/GaN)

40

>103

2,5' 104

1' 103

Поставьте I. на обсуждение Свойство nanomaterials углерода (одиночн-огороженного CNT (SWCNT), multi-огороженного CNT (MWCNT), и nanoribbon graphene (GNR)) по сравнению с тем из некоторых полупроводников (Si, GaAs, и GaN) и металла (Cu) используемого для различных применений электроники.

Малоэнергичные Высокоскоростные Соединения

Соединения Металла используемые как каналы связи между миллиардыами транзисторов в самомоднейших интегральных схемаах (ICs) приходили занять центральное место в определять представление и диссипацию силы электронных обломоков как микропроцессоры2,3.

Типичный высокопроизводительный IC использует несколько слоев соединений металла отделенных путем изолируя материалы, при «коротк-проводы» используемые для местного сообщения и «длинн-проводы» используемые для глобального сообщения внутри обломок.

Соединения также использованы для распределять сигналы часов повсеместно в обломок и знаны, что будут ответствены для сверх 50% из диссипации силы в большинств ICs. Было показано что задержка глобальных соединений может быть уменьшена до 50% если использованы пачки CNT или разнослоистые соединения Graphene4-6. Между Тем, если задержка соединений CNT/Graphene сдержана на такой же оптимальной задержке соединений металла (Cu), то соединения CNT/Graphene уменьшили бы глобальный расход энергии соединения 50% сравненным к тому из соединений Cu7.

Малопотертые Пассивные Приборы

В ультра высокочастотных (волна и радиочастота миллиметра) применениях, увеличенные потери должные для того чтобы снять кожу с и влияния близости в соединениях IC и пассивных приборах могут также способствовать значительно к уменьшению выхода по энергии радиотехнических схем и продуктов.

Были показаны, что показывают соединения CNT/Graphene уникально высокочастотное поведение (уменьшенное влияние кожи) вследствие их большого времени релаксации момента, показывая обещая высокочастотные применения8,9. Например, было показано что максимальный Q-Фактор (метрическая квантифицируя эффективность индуктора) ¾ - индуктор поворота можно увеличить мимо как много как 230% (3,3 времени) и 32% (1,3 времени) путем заменять Cu с CNTs и graphene, соответственно 8,10.

Знаны, что имеет CNTs также превосходные термальные свойства (Таблицу 1) и в свете преимуществ они предлагают для ультра высокочастотной деятельности, они также обещают как Через-Кремний Vias (TSV) 11 --ключевая позволяя технология для 3 габаритного (3D) - ICs.

3-D ICs позволяют штабелировать и скрепить множественных активных слоев (субстратов) и следуются в много компаний полупроводника вокруг мира должного к их малоэнергичным перспективностям (приводя к от их уменьшенных длин соединения) и осуществимости несродного внедрения несхожих технологий (Si, III-V, Graphene) и цепей (цифрово, сетноо-аналогов, RF, оптики, etc) 12.

high-density Приборы Хранения энергии

Для high-density конструкций (MIM) конденсатора металл-изолятор-металла, было показано что плотность емкости CNT-основанных конденсаторов может достигнуть как высоко как 38,39 fF/μm2, гораздо большле чем Международная Дорожная карта Технологии для требования к Полупроводников (ITRS) 12fF/μm2 на год 20221, показывающ их превосходный потенциал заменить конденсаторы течения MIM так же, как другие приборы на-обломока основанные обязанност-хранением.

Graphene также показывало посыл как материалы электрода в применениях supercapacitor должных к своей большой поверхност-зоне к коэффициенту тома. Недавно было сообщено что supercapacitors основанные graphene показывают специфическую плотность энергии 85,6 W·h/kg на комнатной температуре, очень более высоко чем та из обычных свинцовокислотных батарей (типично 30 до 40 W·h/kg)13.

Ультра С низким энергопотреблением Активные Приборы

Более недавно, индустрия полупроводника witnessed возобновленный интерес в ультра с низким энергопотреблением транзисторах. Это управляется потребностью найти переключатель замены для MOSFET nanoscale, который формирует лошадь работы индустрии IC но терпит от все больше и больше высокой утечки -положения, таким образом делая им очень энергию неработоспособной.

Ключевая цель исследования в зоне ультра с низким энергопотреблением конструкции транзистора конструкция и демонстрация малых субпороговых переключателей (SS) качания (включая транзисторы влияния тоннел-поля (T-FET) и (NEM) Nanoelectromechanical-FET) которое делает ДАЛЬШЕ к С переключать скачком и уменьшает течение утечки, как окончательная замена для MOSFET14,15.

Однако, для того чтобы сделать этим реальность, демонстрация компактного, масштабируемого, и надежного T-FETs/NEM-FETs с максимумом (MOSFET любит) НА течениях, и низко С течений на низкие блка напряжения, которые соответствующи для строить широкомасштабные цепи и системы логики, сильно желательна.

CNT и GNR превосходные материалы для конструировать такие с низким энергопотреблением активные приборы для электроники зеленого цвета следующего поколени.

Например, высокая удобоподвижность и низкое bandgap graphene были эксплуатированы для того чтобы конструировать гетеропереход основанный GNR T-FET показывая ION как высоко как 1 mA/μm, коэффициентONOFF I/I как высоко как 109, и SS как малые как 10 mV/dec на V=0.5DD V, и L=20ch nm16. Сверх Того, было показаны, что легко позволен (BTBT) понимать физику диапазон-к-диапазон-прокладывать тоннель, который ключев к конструировать T-FETs с любым материалом, T-FETs основанными GNR17. С другой стороны, CNT превосходный материал для конструировать NEM-FETs должные к их плотности низкой массы и высокому Young модулю18.

Высокая эффективность Photovoltaics

Эффективный жать солнечной энергии через романные фотовольтайческие приборы критический для глобального уменьшения маштаба газов зеленого дома. Следовательно, увеличивать эффективность фотовольтайческих приборов был ключевой целью исследования в зоне конструкции фотоэлемента.

Повышение 2 порядков величины photocurrent приводить к от добавлять Одиночн-Огороженное CNTs (SWCNTs) к матрице poly-3-octylthiophene (P3OT) было сообщено в органическом фотоэлементе19.

Также было сообщено что использование SWCNTs по мере того как дирижирующ ремонтины в основанном2 TiO краск-сенсибилизировал фотоэлемент может удвоить эффективность photoconversion20.

Более интересно, весьма наблюдало эффективным множественным поколением пар электрон-отверстия в CNT должном к оптически возбуждению в вторую подполосу предлагая возможность превышения термодинамического предела (Shockley-Queisser)21. Также серии интереса в использовать CNT/graphene как прозрачные электроды для фотоэлемента и применений СИД22-24.

Справки:

  1. H. Li, C. Xu, N. Srivastava, и K. Banerjee, «Nanomaterials Углерода для Соединений и Passives Следующего поколени: Физика, Состояние и Перспективности,» Трудыы IEEE на Приборах Электрона, VOL. 56, Номер 9, pp. 1799-1821, Сентябрь 2009.
  2. K. Banerjee и A. Mehrotra, «Глобальный (Соединение) Греть,» Цепей IEEE Кассета и Приборов, pp.16- 32, 2001.
  3. K. Banerjee и A. Mehrotra, «Сил-Оптимальная Методология Ввода Репитера для Глобальных Соединений в Конструкциях Нанометра,» Трудыы IEEE на Приборах Электрона, VOL. 49, Номер 11, pp. 2001-2007, Ноябрь 2002.
  4. N. Srivastava, H. Li, F. Kreupl, и K. Banerjee, «На Применимости Углерода Nanotubes Одиночн-Огораживать как Соединения VLSI,» Трудыы IEEE на Нанотехнологии, VOL. 8, Номер 4, pp. 542-559, Июль 2009.
  5. H. Li, N. Srivastava, W.Y. Yin, K. Banerjee, и J.F. Mao, «Моделирование Цепи и Анализ Технических Характеристик Соединений Nanotube Углерода Multi-Огораживать,» Трудыы IEEE на Приборах Электрона, VOL. 55, Номер 6, pp. 1328-1337, 2008.
  6. C. Xu, H. Li, и K. Banerjee, «Моделирование, Анализ и Конструкция Соединений Nano-Тесемки Graphene,» Трудыы IEEE на Приборах Электрона, VOL. 56, No.8, pp. 1567-1578, 2009.
  7. H. Li, C. Xu, и K. Banerjee, «Nanomaterials Углерода: Идеально Технология Соединения для Следующего поколени ICs,» Конструкция IEEE и Испытание Компьютеров, Специальный Выпуск на Вытекая Технологиях Соединения для Внедрения Gigascale, VOL. 27, Номер 4, pp. 20-31, Июль Август 2010.
  8. H. Li и K. Banerjee, «Высокочастотный Анализ Соединений и Прикосновенностей Nanotube Углерода для Конструкции Индуктора На-Обломока,» Трудыы IEEE на Приборах Электрона, VOL. 56, Номер 10, pp. 2202-2214, 2009.
  9. D. Sarkar, C. Xu, H. Li, и K. Banerjee, «Высокочастотное Поведение Graphene-Основанных Соединений - Часть I: Импеданс Моделируя,» Трудыы IEEE на Приборах Электрона, VOL. 58, Номер 3, pp. 843-852, 2011.
  10. D. Sarkar, C. Xu, H. Li, и K. Banerjee, «Высокочастотное Поведение Graphene-Основанных Соединений - Часть II: Анализ и Прикосновенности Импеданса для Конструкции Индуктора,» Трудыы IEEE на Приборах Электрона, VOL. 58, Номер 3, pp. 853-859, 2011.
  11. C. Xu, H. Li, R. Suaya и K. Banerjee, «Компактные Моделирование AC и Анализ Технических Характеристик Через-Кремния Vias (TSVs) в 3-D ICs,» Трудыы IEEE на Приборах Электрона, VOL. 57, Номер 12, pp. 3405-3417, Декабрь 2010.
  12. K. Banerjee, S.J. Souri, P. Kapur, и K.C. Saraswat, «3-D ICs: Романный Дизайн Микросхемы для Улучшать Глубокие Представление Соединения Субмикрона и Внедрение Систем-на-Обломока,» Продолжения IEEE, VOL. 89, Номер 5, pp. 602-633, Май 2001.
  13. C. Liu, Z. Yu, D. Neff, A. Zhamu, и B.Z. Jang, «Graphene-Основали Suppercapacitor с Ультравысокой Плотностью Энергии,» Nano Письма, VOL. 10, pp. 4863-4868, 2010.
  14. H.F. Dadgour и K. Banerjee, «Гибридные Интегральные Схемаы NEMS-CMOS: Романная Стратегия для С низким энергопотреблением Конструкций,» Трудыов IET на Компьютерах и Вопроса Цифров Метод-Специального на Выдвижениях в Цепи Nanoelectronics и Системы, VOL. 3, Номер 6, pp. 593-608, Ноябрь 2009.
  15. Y. Khatami и K. Banerjee, «Крутой Субпороговый Наклон n- и p-тип Приборы Тоннел-FET для Малоэнергичных и С низким энергопотреблением Вычислительных Цепей,» Приборы Электрона TRANS. IEEE, VOL. 56, pp. 2752-2761, 2009.
  16. Y. Khatami, M. Krall, H. Li., C. Xu., K. Banerjee, «Graphene Основал Тоннел-FETs Гетероструктуры для Низшего Напряжения/Высокопроизводительных ICs,» 68th Конференция Исследования Прибора (DRC), 2010, pp. 65-66.
  17. D. Sarkar, M. Krall, и K. Banerjee, «Двоичность Электрон-Отверстия Во Время Процесса Прокладывать Тоннель Диапазон-к-Диапазона в Транзисторах Тоннел-Пол-Влияния Graphene-Nanoribbon,» Письма Прикладной Физики, VOL. 97, Номер 26, P. 263109, 2010.
  18. H. Dadgour, A.M. Cassell и K. Banerjee, «Шкалирование и Анализ Изменчивости Приборов и Цепей CNT-Основывать NEMS с Прикосновенностями для Проекта Процесса,» Приборы Электрона Встречая, pp (IEDM) IEEE Международные. 529-532, 2008.
  19. E. Kymakis, I. Alexandrou, G.A.J. Amaratunga, «Приборы Высокого Напряжения Тока Открыт-Цепи Фотовольтайческие от Смесей Углерод-Nanotube-Полимера,» Прогресс в Photovoltaics: Исследование и Применения, VOL. 93, Номер 3, pp. 1764-1768, 2003.
  20. A. Kongkanand, R.M. Dominguez, P.V. Kamat, «Одностеночные Ремонтины Nanotube Углерода для Фотоэлементов Photoelectrochemical: Захват и Переход Электронов Photogenerated,» Nano Письма, VOL. 7, no.3, pp. 676-680, 2007.
  21. N.M. Gabor, Z. Zhong, K. Bosnick, J. Парк, и P.L. McEuen, «Весьма Эффективное Множественное Поколение Пар Электрон-Отверстия в Фотодиодах Nanotube Углерода», Наука, 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, «Органические Фотоэлементы с Электродами Сети Nanotube Углерода,» Письма Прикладной Физики, VOL. 88, no.23, 233506, 2006.
  23. X. Wang, L.J. Zhi, K. Müllen, «Прозрачные, Проводные Электроды Graphene для Фотоэлементов Краск-Сенсибилизировать,» Nano Письма, VOL. 8, Номер 1, pp. 323-327, 2008
  24. V.C. Tung, L. Chen, M.J. Ален, J.K. Wassei, K. Нельсон, R.B. Kaner, и Y. Yang, «Низкотемпературный Обрабатывать Разрешения Материалов Nanotube Graphene-Углерода Гибридных для Высокопроизводительных Прозрачных Проводников», Nano Письма, VOL. 9, Номер 5, pp. 1949-1955, 2009.
Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:17

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