設計的下一代綠色電子碳 Nanomaterials

Kaustav Banerjee

Kaustav Banerjee, Nanoelectronics 研究實驗室的電子和計算機工程教授和主任 UC 的聖芭卜拉。 對應的作者: kaustav@ece.ucsb.edu

總稱為碳 nanomaterials (包括二維 graphene 和一維碳 nanotubes 和 graphene nanoribbons)的碳低尺寸同素異形體,有可以為他們在各種各樣的電子應用的扣人心弦的潛在客戶被利用的非常物理屬性。

特別是,這些 nanomaterials 可以用於設計低功率,低損耗和超省能源的有效和被動 nanoelectronic 設備,可能因而導致綜合化密度和能源效率的史無前例的級別在集成電路和電子產品的來的生成。

所有碳 nanomaterials 結構可以從那 graphene 派生,是在蜂窩晶格包裝的2 sp 保稅的碳原子單一原子厚實的平面頁 (圖 1a)。

graphene nanoribbon (GNR) 可以通過仿造 graphene 獲得到絲帶,而碳 nanotube (CNT) 可以被重視作為滾絲帶形成一支無縫的管。

graphene 帶狀組織有唯一特性: 能源散射 (或完全 E-k) 關係是線性最近的費米能級別,導致電子和漏洞的零的有效質量和從而非常高載流子遷移率 (> 10000 个 cm/V-s2)。

這些碳 nanomaterials 一些關鍵屬性在表裡概述我以及那些一些公用半導體和金屬 (古芝),指示他們的在下一代電子應用的巨大潛在1。 在下列段,我們簡要概述并且顯示碳 nanomaterials 的潛在客戶設計的下一代 「綠色」電子。

Fig.1. (a) CNT 從 graphene 派生的原子結構和 GNR 覆蓋。 (b) 在鎳增長的 2 英寸薄酥餅範圍 graphene 在 Nanoelectronics 研究實驗室 (NRL)在加大聖巴巴拉分校。 (c) 用於的有選擇性的碳 nanotube 增長形成 NRL 徽標的模式。

Si

GaAs

GaN

古芝

SWCNT

MWCNT

Graphene 或 GNR

最大電流密度 (A/cm2)

-

-

-

107

>109

>109

>108

熔點 (k)

1687

1513

2773

1357

3800 (石墨)

 

 

抗拉強度 (GPa)

7

75

204

0.22

22.2±2.2

11-63

 

流動性 (cm/V-s2)

1400

8500-9500 (為低摻雜)

1100

-

>10000

 

>10000

導熱性 (『10 个3 W/m-K)

0.15

0.055

0.13

0.385

1.75-5.8

3

3-5

溫度系數阻力 (『10-3 /K)

-

-

-

4

<1.1

-1.37

-1.47

平均自由程 (nm) @ 室溫

30

~ 300 毫微米 (為 AlGaAs/GaAs 異質結構)

~ 20 - 30 毫微米 (為 AlGaN/GaN 異質結構)

40

>103

2.5' 104

1' 103

製表 I. Properties 碳 nanomaterials (單一被圍住的 CNT (SWCNT),多被圍住的 CNT (MWCNT) 和 graphene nanoribbon (GNR)) 與用於多種電子應用 (古芝) 的那些有些半導體 (Si、 GaAs 和 GaN) 和金屬比較。

低功率高速互聯

作為數十億的通信鏈路使用的金屬互聯晶體管之間在現代集成電路 (集成電路) 來佔用在確定電子籌碼的性能和功率耗散的中心舞臺例如微處理器2,3

典型的高性能集成電路使用金屬幾塊層互聯分隔由绝緣材料,当 「為局部通信」使用的短電匯和 「長電匯」用於在籌碼內的全球性通信。

Interconnects 為分配在這個籌碼中的時鐘信號也使用和知道負責對 50% 在多數集成電路的功率耗散。 顯示延遲全球互聯可以減少按 50%,如果 CNT 捆綁或多層 Graphene 互聯使用4-6。 同時,如果 CNT/Graphene 延遲互聯被保留在同一最佳的延遲金屬 (古芝) 互聯, CNT/Graphene 互聯減少全球互連電力消費將按 50% 與那古芝比較互聯7

低損耗被動設備

在超高頻率 (毫米波和無線電頻率) 應用,由於增加的損失剝皮和在集成電路的鄰近效應互聯,并且被動設備可能極大也造成減少電子線路和產品能源效率。

CNT/Graphene 互聯顯示由於他們的大動力弛豫時間顯示唯一高頻率工作情況 (減少的皮層效應),指示承諾的高頻率應用8,9。 例如,顯示了最大 Q 系數 (一張公尺定量的電感器效率) ¾ - 輪電感器可以被增加多達 230% (3.3 次) 和 32% (1.3 次) 被替換古芝用 CNTs 和 graphene,分別 8,10

CNTs 也知道有他們為超高頻率運算提供的非常好的熱量屬性 (根據福利的表 1) 和,他們也承諾作為通過硅 Vias (TSV) 11 --三維的關鍵啟用的技術 (3D) - 集成電路。

三維集成電路准許堆積和結合多個有效的層 (基體) 和在許多半導體公司中繼續處理環球由於他們的低功率不同的技術 (Si, III-V, Graphene) 和電路 (數字式的異種綜合化的潛在客戶 (起因於他們的減少的互連長度) 和可行性,模式, RF、光學等等) 12

高密度蓄能設備

對於高密度金屬裝绝緣體工金屬 (MIM)電容器設計,顯示電容密度基於 CNT 的電容器大於半導體 (ITRS) 需求的2國際技術模式可能到達一樣高像 38.39 fF/μm, 12fF/μm2 年 2022年1,指示他們非常好的潛在替換當前 MIM 電容器 以及其他在籌碼 電荷存儲基於設備。

Graphene 也顯露才華作為電極材料在 supercapacitor 應用由於其大表面區對數量比例。 最近據報道 graphene 基於 supercapacitors 陳列一個特定能量密度 85.6 W·在室溫的 h/kg,高於那常規乙酸鉛電池 (典型地 30 到 40 W·h/kg)13

超省能源的有效的設備

最近,半導體行業在超省能源的晶體管上目擊了更新的興趣。 需要驅動這查找 nanoscale MOSFET 的替換切換,形成集成電路行業的工作馬,但是遭受越來越高斷路狀態的損失,從而使它非常能源效率低。

一個關鍵研究目標在超省能源的晶體管設計區是小的次於最低限度的搖擺切換的設計和演示 (SS) (包括隧道域作用晶體管 (T-FET) 和 (NEM) Nanoelectromechanical FET) 做對切換更加突然并且減少損失當前,作為 MOSFET 的最後的替換14,15

然而,做這事實,緊湊,可升級和可靠的 T FETs/NEM FETs 的演示有高的 (MOSFET 喜歡) 在當前,和低當前在低電源用品電壓,適用於建立大規模邏輯電路和系統,是高度需要。

CNT 和 GNR 是設計的這樣省能源的有效的設備非常好的材料下一代綠色電子的。

例如, graphene 高流動性和低 bandgap 被利用設計陳列 I 的 GNR 基於異質結 T-FETON 高達 1 个 mA/μm、 I/IONOFF 比例高達 109SS 一樣小像 10 个 mV/dec 在 V=0.5DD V 和 L=20ch nm16。 而且,瞭解物理範圍對範圍挖洞 (BTBT),是關鍵的對設計有所有材料的 T FETs,顯示由 GNR 基於 T FETs 容易地啟用17。 另一方面, CNT 是設計的 NEM FETs 非常好的材料由於他們的誦經彌撒密度和高年輕的模數18

高效率 Photovoltaics

高效收穫太陽能通過新穎的光致電壓的設備為溫室氣體的全球縮放比例減少是重要的。 因此,增加光致電壓的設備效率在太陽能電池設計區成為一個關鍵研究目標。

二個數量級 photocurrent 起因於的改進添加單一被圍住的 CNTs (SWCNTs) 到一個多3 octylthiophene (P3OT) 矩陣在有機太陽能電池報告了19

也據報道曾經 SWCNTs,執行在基於的 TiO 的2 絞刑臺染料使太陽能電池敏感可能加倍 photoconversion 效率20

更加有趣,非常建議高效的多個電子漏洞對的生成在 CNT 被觀察了由於光學勵磁到第二條次能帶超過熱力學 (Shockley-Queisser) 限額的可能性21。 也有許多興趣在使用 CNT/graphene 上作為太陽能電池和 LED 應用的透明電極22-24

參考:

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Date Added: Apr 19, 2011 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 06:47

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