设计的下一代绿色电子碳 Nanomaterials

Kaustav Banerjee

Kaustav Banerjee, Nanoelectronics 研究实验室的电子和计算机工程教授和主任 UC 的圣芭卜拉。 对应的作者: kaustav@ece.ucsb.edu

总称为碳 nanomaterials (包括二维 graphene 和一维碳 nanotubes 和 graphene nanoribbons)的碳低尺寸同素异形体,有可以为他们在各种各样的电子应用的扣人心弦的潜在客户被利用的非常物理属性。

特别是,这些 nanomaterials 可以用于设计低功率,低损耗和超省能源的有效和被动 nanoelectronic 设备,可能因而导致综合化密度和能源效率的史无前例的级别在集成电路和电子产品的来的生成。

所有碳 nanomaterials 结构可以从那 graphene 派生,是在蜂窝晶格包装的2 sp 保税的碳原子单一原子厚实的平面页 (图 1a)。

graphene nanoribbon (GNR) 可以通过仿造 graphene 获得到丝带,而碳 nanotube (CNT) 可以被重视作为滚丝带形成一支无缝的管。

graphene 带状组织有唯一特性: 能源散射 (或完全 E-k) 关系是线性最近的费米能级别,导致电子和漏洞的零的有效质量和从而非常高载流子迁移率 (> 10000 个 cm/V-s2)。

这些碳 nanomaterials 一些关键属性在表里概述我以及那些一些公用半导体和金属 (古芝),指示他们的在下一代电子应用的巨大潜在1。 在下列段,我们简要概述并且显示碳 nanomaterials 的潜在客户设计的下一代 “绿色”电子。

Fig.1. (a) CNT 从 graphene 派生的原子结构和 GNR 覆盖。 (b) 在镍增长的 2 英寸薄酥饼范围 graphene 在 Nanoelectronics 研究实验室 (NRL)在加大圣巴巴拉分校。 (c) 用于的有选择性的碳 nanotube 增长形成 NRL 徽标的模式。

Si

GaAs

GaN

古芝

SWCNT

MWCNT

Graphene 或 GNR

最大电流密度 (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

熔点 (k)

1687

1513

2773

1357

3800 (石墨)

 

 

抗拉强度 (GPa)

7

75

204

0.22

22.2±2.2

11-63

 

流动性 (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (为低掺杂)

1100

-

>10000

 

>10000

导热性 (‘10 个3 W/m-K)

0.15

0.055

0.13

0.385

1.75-5.8

3

3-5

温度系数阻力 (‘10-3 /K)

-

-

-

4

<1.1

-1.37

-1.47

平均自由程 (nm) @ 室温

30

~ 300 毫微米 (为 AlGaAs/GaAs 异质结构)

~ 20 - 30 毫微米 (为 AlGaN/GaN 异质结构)

40

>103

2.5' 104

1' 103

制表 I. Properties 碳 nanomaterials (单一被围住的 CNT (SWCNT),多被围住的 CNT (MWCNT) 和 graphene nanoribbon (GNR)) 与用于多种电子应用 (古芝) 的那些有些半导体 (Si、 GaAs 和 GaN) 和金属比较。

低功率高速互联

作为数十亿的通信链路使用的金属互联晶体管之间在现代集成电路 (集成电路) 来占用在确定电子筹码的性能和功率耗散的中心舞台例如微处理器2,3

典型的高性能集成电路使用金属几块层互联分隔由绝缘材料,当 “为局部通信”使用的短电汇和 “长电汇”用于在筹码内的全球性通信。

Interconnects 为分配在这个筹码中的时钟信号也使用和知道负责对 50% 在多数集成电路的功率耗散。 显示延迟全球互联可以减少按 50%,如果 CNT 捆绑或多层 Graphene 互联使用4-6。 同时,如果 CNT/Graphene 延迟互联被保留在同一最佳的延迟金属 (古芝) 互联, CNT/Graphene 互联减少全球互连电力消费将按 50% 与那古芝比较互联7

低损耗被动设备

在超高频率 (毫米波和无线电频率) 应用,由于增加的损失剥皮和在集成电路的邻近效应互联,并且被动设备可能极大也造成减少电子线路和产品能源效率。

CNT/Graphene 互联显示由于他们的大动力弛豫时间显示唯一高频率工作情况 (减少的皮层效应),指示承诺的高频率应用8,9。 例如,显示了最大 Q 系数 (一张公尺定量的电感器效率) ¾ - 轮电感器可以被增加多达 230% (3.3 次) 和 32% (1.3 次) 被替换古芝用 CNTs 和 graphene,分别 8,10

CNTs 也知道有他们为超高频率运算提供的非常好的热量属性 (根据福利的表 1) 和,他们也承诺作为通过硅 Vias (TSV) 11 --三维的关键启用的技术 (3D) - 集成电路。

三维集成电路准许堆积和结合多个有效的层 (基体) 和在许多半导体公司中继续处理环球由于他们的低功率不同的技术 (Si, III-V, Graphene) 和电路 (数字式的异种综合化的潜在客户 (起因于他们的减少的互连长度) 和可行性,模式, RF、光学等等) 12

高密度蓄能设备

对于高密度金属装绝缘体工金属 (MIM)电容器设计,显示电容密度基于 CNT 的电容器大于半导体 (ITRS) 需求的2国际技术模式可能到达一样高象 38.39 fF/μm, 12fF/μm2 年 2022年1,指示他们非常好的潜在替换当前 MIM 电容器 以及其他在筹码 电荷存储基于设备。

Graphene 也显露才华作为电极材料在 supercapacitor 应用由于其大表面区对数量比例。 最近据报道 graphene 基于 supercapacitors 陈列一个特定能量密度 85.6 W·在室温的 h/kg,高于那常规乙酸铅电池 (典型地 30 到 40 W·h/kg)13

超省能源的有效的设备

最近,半导体行业在超省能源的晶体管上目击了更新的兴趣。 需要驱动这查找 nanoscale MOSFET 的替换切换,形成集成电路行业的工作马,但是遭受越来越高断路状态的损失,从而使它非常能源效率低。

一个关键研究目标在超省能源的晶体管设计区是小的次于最低限度的摇摆切换的设计和演示 (SS) (包括隧道域作用晶体管 (T-FET) 和 (NEM) Nanoelectromechanical FET) 做对切换更加突然并且减少损失当前,作为 MOSFET 的最后的替换14,15

然而,做这事实,紧凑,可升级和可靠的 T FETs/NEM FETs 的演示有高的 (MOSFET 喜欢) 在当前,和低当前在低电源用品电压,适用于建立大规模逻辑电路和系统,是高度需要。

CNT 和 GNR 是设计的这样省能源的有效的设备非常好的材料下一代绿色电子的。

例如, graphene 高流动性和低 bandgap 被利用设计陈列 I 的 GNR 基于异质结 T-FETON 高达 1 个 mA/μm、 I/IONOFF 比例高达 109SS 一样小象 10 个 mV/dec 在 V=0.5DD V 和 L=20ch nm16。 而且,了解物理范围对范围挖洞 (BTBT),是关键的对设计有所有材料的 T FETs,显示由 GNR 基于 T FETs 容易地启用17。 另一方面, CNT 是设计的 NEM FETs 非常好的材料由于他们的诵经弥撒密度和高年轻的模数18

高效率 Photovoltaics

高效收获太阳能通过新颖的光致电压的设备为温室气体的全球缩放比例减少是重要的。 因此,增加光致电压的设备效率在太阳能电池设计区成为一个关键研究目标。

二个数量级 photocurrent 起因于的改进添加单一被围住的 CNTs (SWCNTs) 到一个多3 octylthiophene (P3OT) 矩阵在有机太阳能电池报告了19

也据报道曾经 SWCNTs,执行在基于的 TiO 的2 绞刑台染料使太阳能电池敏感可能加倍 photoconversion 效率20

更加有趣,非常建议高效的多个电子漏洞对的生成在 CNT 被观察了由于光学励磁到第二条次能带超过热力学 (Shockley-Queisser) 限额的可能性21。 也有许多兴趣在使用 CNT/graphene 上作为太阳能电池和 LED 应用的透明电极22-24

参考:

  1. H. 李、 C. Xu, N. Srivastava 和 K. Banerjee, “下一代的碳 Nanomaterials 互联和被动: 物理、状态和潜在客户”,在电子设备,第56卷,没有 9,页的 IEEE 事务处理。 1799-1821, 2009年 9月。
  2. K. Banerjee 和 A. Mehrotra, “全球 (互连) 温暖”, IEEE 电路和设备杂志, pp.16- 32日 2001年。
  3. K. Banerjee 和 A. Mehrotra, “全球的一个电源最佳的中继器插入方法在毫微米设计互联”,在电子设备,第49卷,没有 11,页的 IEEE 事务处理。 2001-2007, 2002年 11月。
  4. N. Srivastava、 H. 李,在单一围住碳 Nanotubes 的适用性的 F. Kreupl 和 K. Banerjee, “作为 VLSI 互联”,在纳米技术,第8卷,没有 4,页的 IEEE 事务处理。 542-559, 2009年 7月。
  5. H. 李、 N. Srivastava, W.Y. Yin, K. Banerjee 和 J.F. 塑造和对多围住碳 Nanotube 的性能分析的毛, “电路互联”,在电子设备,第55卷,没有 6,页的 IEEE 事务处理。 1328-1337 2008年。
  6. C. Xu、 H. 李和 K. Banerjee, “塑造, Graphene 纳诺丝带分析和设计互联”,在电子设备,第56卷, No.8,页的 IEEE 事务处理。 1567-1578 2009年。
  7. H. 李、 C. Xu 和 K. Banerjee, “碳 Nanomaterials : 下一代集成电路的理想的互连技术”, IEEE 计算机设计和测试,在涌现的互连技术的特别问题 Gigascale 综合化的,第27卷,没有 4,页。 20-31, 7月/2010年 8月。
  8. H. 李和 K. Banerjee, “对碳 Nanotube 的高频率分析互联和在筹码电感器设计的涵义”,在电子设备,第56卷,没有 10,页的 IEEE 事务处理。 2202-2214, 2009年。
  9. D. Sarkar、 C. Xu, H. 李和 K. Banerjee, “高频率工作情况基于 Graphene 互联 - 零件我: 塑造的阻抗”,在电子设备,第58卷,没有 3,页的 IEEE 事务处理。 843-852, 2011年。
  10. D. Sarkar、 C. Xu, H. 李和 K. Banerjee, “高频率工作情况基于 Graphene 互联 - 第II部分: 阻抗分析和涵义的电感器设计”, IEEE 事务处理在电子设备,第58卷,没有 3,页。 853-859, 2011年。
  11. C. Xu、 H. 李, R. Suaya 和 K. Banerjee, “塑造和对在三维集成电路的通过硅 Vias 的 (TSVs)性能分析的紧凑 AC”,在电子设备,第57卷,没有 12,页的 IEEE 事务处理。 3405-3417, 2010年 12月。
  12. K. Banerjee、 S.J. Souri, P. Kapur 和 K.C. Saraswat, “三维集成电路: 改进的深刻的亚显微互连性能和系统在筹码综合化新颖的芯片设计”, IEEE 的行动,第89卷,没有 5,页。 602-633, 2001年 5月。
  13. C. 刘、 Z. Yu, D. Neff, A. Zhamu 和 B.Z. Jang, “Graphene 根据与一个超离频的能量密度的 Suppercapacitor”,纳诺信函,第10卷,页。 4863-4868, 2010年。
  14. H.F. Dadgour 和 K. Banerjee, “杂种 NEMS-CMOS 集成电路: 省能源的设计、” IET 事务处理在计算机上和数字式技术特殊问题的一个新颖的方法在 Nanoelectronics 电路和系统,第3卷,没有 6,页的预付款。 593-608, 2009年 11月。
  15. Y. 哈塔米和 K. Banerjee, “陡峭的次于最低限度的倾斜 n- 和低功率和省能源的数字电路的 p 型的隧道 FET 设备”, IEEE Trans. 电子设备,第56卷,页。 2752-2761, 2009年。
  16. Y. 哈塔米, M. Krall, H. 李。, C. Xu。, K. Banerjee, “Graphene 根据低压/高性能集成电路的异质结构隧道 FETs”,第 68 个设备研究会议 (DRC), 2010年,页。 65-66.
  17. D. Sarkar、 M. Krall 和 K. Banerjee, “在范围对范围挖洞进程期间的电子漏洞双重性在 Graphene-Nanoribbon 隧道域作用晶体管”,应用物理学信函,第97卷,没有 26, P. 263109, 2010年。
  18. H. Dadgour、 A.M. Cassell 和对 CNT 根据 NEMS 设备和电路的 K. Banerjee, “比例缩放和可变性分析有涵义的工艺流程设计”,见面 IEEE 国际的电子设备 (IEDM),页。 529-532, 2008年。
  19. E. Kymakis, I. Alexandrou, G.A.J. Amaratunga, “高断路从碳 Nanotube 聚合物综合的电压光致电压的设备”,进展在 Photovoltaics : 研究和应用,第93卷,没有 3,页。 1764-1768 2003年。
  20. A. Kongkanand, R.M. 多米格斯, P.V. Kamat, “Photoelectrochemical 太阳能电池的唯一墙壁碳 Nanotube 绞刑台: Photogenerated 电子获取和运输”,纳诺信函,第7卷, no.3,页。 676-680, 2007年。
  21. N.M. 加博尔, Z. Zhong, K. Bosnick, J. Park 和 P.L. McEuen, “非常在碳 Nanotube 光电二极管的高效的多个电子漏洞对生成”,科学,第325卷, 1367 2009年。
  22. M.W. Rowell, M.A. Topinka,; M.D. McGehee, H。 - J。 Prall, G. Dennler, N.S. Sariciftci, L. 虎队, G. Gruner, “与碳 Nanotube 网络电极的有机太阳能电池”,应用物理学信函,第88卷, no.23, 233506, 2006年。
  23. X. Wang, L.J. Zhi, K. Mullenn, “使染料敏感太阳能电池的透明,导电性 Graphene 电极”,纳诺信函,第8卷,没有 1,页。 323-327, 2008年
  24. V.C. 钨, L. 陈, M.J. 亚伦, J.K. Wassei, K. 纳尔逊、 R.B. Kaner 和 Y. 杨, “低温解决方法处理高性能透明导体的 Graphene 碳 Nanotube 杂种材料”,纳诺信函,第9卷,没有 5,页。 1949-1955 2009年。
Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:44

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