KolNanomaterials för Att Planlägga Grön Elektronik för Nästa generation

Vid Kaustav Banerjee

Kaustav Banerjee, Professor av Elektrisk och för Dator Iscensätta och Direktör av det Nanoelectronics ForskningLabbet på UC Santa Barbara. Motsvarande författare: kaustav@ece.ucsb.edu

Låg-Dimensionella allotropes av kol (inklusive tvådimensionell graphene och en-dimensionella kolnanotubes och graphenenanoribbons) som kollektivt är bekant som kolnanomaterials, har utöver det vanliga läkarundersökningrekvisita som kan exploateras för deras spännande utsikter i en variation av elektronikapplikationer.

I synnerhet kan dessa nanomaterials vara den van vid designen låg-driver, låg-förlust, och den ultra energi-effektiva aktivet och nanoelectronic apparater för passivum, som kan därför leda till aldrig tidigare skådat jämnar av integrationstäthet och energi-effektivitet i kommande utvecklingar av inbyggt - går runt och elektroniska produkter.

Strukturerar allra kolnanomaterials kan härledas från det av graphene, som är etttjockt planar täcker av sp-obligations-2 kolatoms som packas i ett crystal galler för honungskaka (Fig. 1a).

En graphenenanoribbon (GNR) kan erhållas, genom att mönstra graphene in i ett band, fördriver en kolnanotube (CNT) kan tänkas av som ett hoprullat band för att bilda ett seamless rör.

Musikbandet strukturerar av graphene har unika kännetecken: förhållandet för energispridning (eller enkelt E-k) är linjärt near den jämna Fermi energin och att leda till nolleffektivt samlas för elektroner och spela golfboll i hål, och därmed till extremt kickbärarerörlighet (> 10000 cm/V-s2).

Någon nyckel- rekvisita av dessa kolnanomaterials skisseras in Bordlägger I tillsammans med de av några allmänninghalvledare och en belägga med metall (Cu) och att indikera deras stora potentiellt i nästa generationelektronikapplikationer1. I stycker efter, skisserar markerar vi kort och utsikterna av kolnanomaterials för att planlägga grön” elektronik för nästa generation ”.

Fig.1. (a) Det atom- strukturerar av CNT, och GNR som härledas från en graphene, täcker. (b) 2 flytta sig mycket långsamt rånet storleksanpassar graphene som är fullvuxen på mynt i det Nanoelectronics ForskningLaboratoriumet (NRL) på UCSB. (c) Selektiv van vid kolnanotubetillväxt bildar mönstra av NRL-logoen.

Si

GaAs

GaN

Cu

SWCNT

MWCNT

Graphene eller GNR

Max strömtäthet (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

Smältning pekar (K)

1687

1513

2773

1357

3800 (grafit)

 

 

Tänjbar styrka (GPa)

7

75

204

0,22

22.2±2.2

11-63

 

Rörlighet (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (för att dopa för low)

1100

-

>10000

 

>10000

Termisk conductivity ('103 W/m-K)

0,15

0,055

0,13

0,385

1.75-5.8

3

3-5

Temperatur som är Samverka av Motstånd ('10-3 /K)

-

-

-

4

<1.1

-1,37

-1,47

Rumstemperatur för Genomsnittlig fri bana (nm) @

30

~ 300 nm (för den AlGaAs/GaAs Heterostructuren)

~ 20 - 30 nm (för AlGaN-/GaNHeterostructure)

40

>103

2,5' 104

1' 103

Bordlägga I. Rekvisita av kolnanomaterials (singel-walled CNT (SWCNT), mång--walled CNT (MWCNT) och graphenenanoribbon (GNR)) i jämförelse till de av några halvledare (Si, GaAs och GaN) och belägga med metall (Cu) använt för olika elektronikapplikationer.

Låg-Driva Snabbt Interconnects

Belägga med metall sammankopplingar som används som kommunikation, anknyter mellan miljarder av transistorer i modernt inbyggt - går runt (ICs) har kommit att uppta centrera arrangerar, i att bestämma kapaciteten och driver skingrande av elektroniskt gå i flisor liksom mikroprocessorer2,3.

En typisk kick-kapacitet IC använder flera lagrar av belägger med metall interconnects avskilt, genom att isolera material, med ”, kort stavelse-binder” använt för lokalkommunikation, och ”lång-binder” använt för den globala kommunikationen inom en gå i flisor.

Interconnects används också för att fördela ta tid på signalerar alltigenom gå i flisor och är bekant att vara ansvariga för över 50% av drivaskingrandet i mest ICs. Det har visats att fördröjningen av globalt interconnects kan förminskas av upp till 50%, om CNT buntar, eller mång--lagrar Graphene interconnects används4-6. Under Tiden om fördröjningen av CNT/Graphene interconnects, hålls på den samma optimala fördröjningen av belägger med metall (Cu) interconnects, CNT/Graphene interconnects skulle förminskar den globala interconnecten driver förbrukning vid 50% som jämförs till det av Cu, interconnects7.

Låg-Förlust PassivumApparater

I ultra kick-frekvens (millimetern vinkar och radiofrequencyen), applikationer flår ökande förluster tack vare, och närhet verkställer i IC interconnects, och passivumapparater kan också bidra markant till förminskande energi-effektiviteten av elektroniskt går runt och produkter.

CNT/Graphene interconnects har visats för att ställa ut unikt förminskande kick-frekvens uppförande (flå verkställer) som varar skyldig till deras stor momentumavkoppling tid som indikerar lovas kick-frekvens applikationer8,9. Till exempel har det visats att maximat Q-Dela upp i faktorer (en meterkvantifierande induktionsapparateffektivitet) av en ¾ - vändinduktionsapparaten kan ökas by så mycket som 230% (3,3 tider) och 32% (1,3 tider) genom att byta ut Cu med CNTs och graphene, respektive 8,10.

CNTs är också bekant att ha utmärkt termisk rekvisita (Bordlägga 1), och i ljust av gynnar dem erbjuder för ultra kick-frekvens funktion, dem lovar också som Till och med-Silikoner Vias (TSV) 11 --en nyckel- möjliggöra teknologi för dimensionella 3 (3D) - ICs.

3-D ICs låter att stapla och bindningen av multipelaktivlagrar (substrates) och förföljas i många halvledareföretag runt om den deras världen låg-driver utsikter (som resulterar från deras förminskande interconnectlängder) och feasibility av heterogen integration av olikartade teknologier (Si, III-V, Graphene) och går runt tack vare (digitalt, parallellt, RF, optik, etc.) 12.

kick - täthetEnergi-Lagring Apparater

För kick-täthet belägga med metall-isolator-belägga med metall (MIM) kondensatordesigner, har det visats, att kapacitenstätheten av CNT-baserade kondensatorer kan ne som kick som 38,39 fF/μm2, mycket större, än LandskampTeknologiKretsschemat för krav för Halvledare (ITRS) av 12fF/μm2 för året 20221 och att indikera deras utmärkta potentiellt för att byta ut strömMIMAREkondensatorer såväl som annat på-gå i flisor laddning-lagring baserade apparater.

Graphene har visat löftet som elektrodmaterial i supercapacitorapplikationer tack vare dess stora ytbehandla-område också till volymförhållandet. Det har för en tid sedan anmälts att graphene baserade supercapacitors ställer ut en specifik energitäthet av 85,6 W·,h/kg på rumstemperaturen, mycket higher än det av konventionella bly--syra batterier (typisk 30 till 40 W·,h/kg)13.

Ultra Energi-Effektiva AktivApparater

För en tid sedan, har halvledarebranschen bevittnat förnyat för att intressera i ultra energi-effektiva transistorer. Detta är drivande vid behovet att finna ett utbyte kopplar för nanoscaleMOSFETEN, som bildar arbetshästen av IC-branschen, men lider från mer och mer av-statligt läckage för kicken, därmed danande det mycket ineffektiv energi.

Ett nyckel- forskningmål i området av den ultra energi-effektiva transistordesignen är designen, och demonstrationen av liten subthreshold gunga (SS) kopplar (tunnel-sätta in däribland verkställer transistorer (T-FET) och (NEM) Nanoelectromechanical-FET) som gör PÅ till AV att koppla mer plötslig och förminskar läckageströmmen, som ett slutligen utbyte för MOSFETEN14,15.

Emellertid för att göra detta en verklighet går runt demonstrationen av överenskommelsen som, är scalable, och pålitlig T-FETs/NEM-FETs med kicken (MOSFET-något liknande) PÅ strömmar, och lågt AV strömmar på låga driva-tillförsel spänningar, som är passande för byggande av storskalig logik, och system, är högt önskvärda.

CNT och GNR är utmärkta material för att planlägga sådan energi-effektiva aktivapparater för nästa generationgräsplanelektronik.

Till exempel har kickrörligheten och den låga bandgapen av graphene exploaterats för att planlägga en GNR baserad heterojunction T-FET som ställer ut ION som kick som 1 mA/μm, I-/IONOFF förhållande som kick som 109 och SS som så är lilla som 10 mV/dec på V=0.5DD V och L=20ch nm16. Dessutom har överenskommelse fysiken av musikband-till-musikband-att gräva (BTBT), som är nyckel- till att planlägga T-FETs med any materiellt, visats lätt för att möjliggöras av GNR baserade T-FETs17. Å andra sidan är CNT ett utmärkt materiellt för att planlägga NEM-FETs, tack vare som deras low samlas den Young modulusen för täthet och för kicken18.

Kick-Effektivitet Photovoltaics

Den Effektiva plockningen av sol- energi till och med nya photovoltaic apparater är kritisk för global fjällförminskning av det gröna huset gasar. Hence ökande har effektiviteten av photovoltaic apparater blivit ett nyckel- forskningmål i området av den sol- celldesignen.

Två beställer av storleksförbättring av photocurrent resultera från att tillfoga Singel-Walled CNTs (SWCNTs) till en matris för poly-3-octylthiophene (P3OT) har anmälts i en organisk sol- cell19.

Det har också anmälts att genom att använda SWCNTs, som föra scaffolds i en baserade2 TiO, färg-sensitized den sol- cellen kan dubblera photoconversioneffektiviteten20.

Interestingly, elektron-spela golfboll i hål har den extremt effektiva multipeln parar utvecklingen observerats i optisk magnetisering för CNT tack vare in i understödjasubbanden som föreslår att möjligheten av att överskrida det thermodynamic (Shockley-Queisser) begränsar21. Det finns raddor intresserar, i att använda CNT/graphene som genomskinliga elektroder för sol- cell och LEDDE också applikationer22-24.

Hänvisar till:

  1. H. Interconnects Li, C. Xu, N. Srivastava och K. Banerjee, ”KolNanomaterials för Nästa generation och Passivummar: Fysik Status och Utsikter,” IEEE Transaktioner på ElektronApparater, Vol. 56, Nr. 9, pp. 1799-1821 Sep 2009.
  2. K. Går runt Banerjee och A. Mehrotra, ”Global (Interconnecten) Värme,” IEEE och ApparatTidskriften, pp.16- 32, 2001.
  3. K. Interconnects Banerjee och A. Mehrotra, ”EnOptimal RepetervapenInföringsMethodology för Globalt i NanometerDesigner,” IEEE Transaktioner på ElektronApparater, Vol. 49, Nr. 11, pp. 2001-2007 November 2002.
  4. N. Srivastava, H. Li, F. Kreupl och K. Banerjee, ”På Användbarheten av Singel-Walled Kol Nanotubes som VLSI-Sammankopplingar,” IEEE Transaktioner på Nanotechnology, Vol. 8, Nr. 4, pp. 542-559 Juli 2009.
  5. H. Går runt Li, N. Srivastava, W.Y. Yin, K. Banerjee och J.F. Mao, ”att Modellera, och KapacitetsAnalys av Mång--Walled Kol Nanotube Interconnects,” IEEE Transaktioner på ElektronApparater, Vol. 55, Nr. 6, pp. 1328-1337 2008.
  6. C. Interconnects Xu, H. Li och K. Banerjee, ”att Modellera, Analys och Design av det Graphene Nano-Bandet,” IEEE Transaktioner på ElektronApparater, Vol. 56, No.8, pp. 1567-1578 2009.
  7. H. Li, C. Xu och K. Banerjee, ”KolNanomaterials: IdealInterconnectTeknologin för Nästa generation ICs,” den IEEE Designen och Testar av Datorer, Sakkunnig Utfärdar på att Dyka Upp InterconnectTeknologier för Gigascale Integration, Vol. 27, Nr. 4, pp. 20-31 Juli/Augusti, 2010.
  8. H. Interconnects Li och K. Banerjee, ”Kick-Frekvens Analys av Kol Nanotube, och Implikationer för På-Gå i flisor Induktionsapparaten Planlägger,” IEEE Transaktioner på ElektronApparater, Vol. 56, Nr. 10, pp. 2202-2214 2009.
  9. D. Interconnects Sarkar, C. Xu, H. Li och K. Banerjee, ”Kick-Frekvens Uppförande av Graphene-Baserat - Del Mig: Impedans som Modellerar,” IEEE Transaktioner på ElektronApparater, Vol. 58, Nr. 3, pp. 843-852 2011.
  10. D. Interconnects Sarkar, C. Xu, H. Li och K. Banerjee, ”Kick-Frekvens Uppförande av Graphene-Baserat - Del II: ImpedansAnalys och Implikationer för Induktionsapparat Planlägger,” IEEE Transaktioner på ElektronApparater, Vol. 58, Nr. 3, pp. 853-859 2011.
  11. C. Xu, H. Li, R. Suaya och K. Banerjee, ”Kompakt Modellera för AC och KapacitetsAnalys av Till och med-Silikoner Vias (TSVs) i 3-D ICs,” IEEE Transaktioner på ElektronApparater, Vol. 57, Nr. 12, pp. 3405-3417 Dec. 2010.
  12. K. Banerjee, S.J. Souri, P. Kapur och K.C. Saraswat, ”3-D ICs: En Roman Gå i flisor Designen för Att Förbättra Djup SubmicronInterconnectKapacitet och System-på-Gå i flisor Integration,” Förfaranden av IEEEN, Vol. 89, Nr. 5, pp. 602-633 Maj 2001.
  13. C. Märker Liu, Z. Yu, D. Neff, A. Zhamu och B.Z. Jang, ”Graphene-Baserade Suppercapacitor med en Ultrahigh EnergiTäthet,” Nano, Vol. 10, pp. 4863-4868 2010.
  14. H.F. Dadgour och K. Banerjee, ”Integrerad Hybrid- NEMS-CMOS - går runt: En Ny Strategi för Energi-Effektiva Designer,” IET-Transaktioner på Datorer och den Digital Teknik-Sakkunniga Utfärdar på Framflyttningar i Nanoelectronics Går runt och System, Vol. 3, Nr. 6, pp. 593-608 Nov. 2009.
  15. Y. Sluttar Khatami och K. Banerjee, ”Brant Subthreshold n, och p-typ Tunnel-FET Apparater för Låg-Driva och Energi-Effektiva Digital Går runt,” IEEE Trans. ElektronApparater, Vol. 56, pp. 2752-2761 2009.
  16. Y. Baserade Khatami, M. Krall, H. Li., C. Xu., K. Banerjee, ”Graphene HeterostructureTunnel-FETs för den Låga Spänning/Kick-Kapaciteten ICs,” den 68th ApparatForskningKonferensen (DRC), 2010, pp. 65-66.
  17. D. Elektron-Spela golfboll i hål Sarkar, M. Krall och K. Banerjee, ”Duality Under Musikband-till-Musikband som att Gräva som är Processaa i Graphene-Nanoribbon, Tunnel-Sätta inVerkställer Transistorer,” Applicerad Fysik Märker, Vol. 97, Nr. 26, P. 263109, 2010.
  18. H. Går runt Dadgour, A M. Cassell och K. Banerjee, ”Graderings- och VariabilityAnalys av CNT-Baserade NEMS-Apparater och med Implikationer för Process Designen,” Apparater för den IEEE LandskampElektronen som Möter (IEDM), pp. 529-532 2008.
  19. E. Öppen-Går runt Kymakis, I. Alexandrou, G.A.J. Amaratunga, ”Kicken Photovoltaic Apparater för Spänning från Kol-Nanotube-Polymer Komposit,” Framsteg i Photovoltaics: Forskning och Applikationer, Vol. 93, Nr. 3, pp. 1764-1768 2003.
  20. A. Kongkanand, R.M. Dominguez, P.V. Kamat, ”Nanotube för SingelVäggKol Scaffolds för Photoelectrochemical Sol- Celler: Tillfångatagandet och Transport av Photogenerated Elektroner,” Nano Märker, Vol. 7, no.3, pp. 676-680 2007.
  21. N. Elektron-Spela golfboll i hål M. Gabor, Z. Zhong, K. Bosnick, J. Parkera och P.L. McEuen, ”den Extremt Effektiva Multipeln Parar Utvecklingen i KolNanotube Fotodioder”, Vetenskap, 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, ”Organiska Sol- Celler med Kol Nanotube Knyter Kontakt Elektroder,” Applicerad Fysik Märker, Vol. 88, no.23, 233506, 2006.
  23. X. Märker Wang, L.J. Zhi, K. Müllen, ”Genomskinliga Ledande Graphene Elektroder för Färg-Sensitized Sol- Celler,” Nano, Vol. 8, Nr. 1, pp. 323-327 2008
  24. V. Märker C. Tung, L. Chen, M.J. Allen, J.K. Wassei, K. Nelson, R.B. Kaner och Y. Yang, ”att Bearbeta för Låg-Temperatur Lösning av Graphene-Kol Nanotube Hybrid- Material för Kick-Kapacitet Genomskinliga Ledare” som Är Nano, Vol. 9, Nr. 5, pp. 1949-1955 2009.
Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 07:23

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