Forskere hjælper med at holde trit med Moores Law ved at udforske en ny materialeklasse

Fremskridt inden for integrerede kredsløb måles ved at matche, overstiger, eller falder bagefter den sats, der er angivet af Gordon Moore, tidligere administrerende direktør og medstifter af Intel, hvem sagde antallet af elektroniske komponenter, eller transistorer, pr. integreret kredsløb ville fordobles hvert år. Det var mere end 50 år siden, og overraskende hans forudsigelse, nu kaldet Moores lov, gik i opfyldelse.

I de seneste år, man mente, at tempoet var faldet; en af ​​de største udfordringer ved at sætte flere kredsløb og strøm på en mindre chip er at styre varme.

En tværfaglig gruppe, der omfatter Patrick E. Hopkins, en professor ved University of Virginia's Department of Mechanical and Aerospace Engineering, og Will Dichtel, en professor i Northwestern Universitys afdeling for kemi, opfinder en ny klasse af materialer med potentiale til at holde chipsene kølige, når de bliver ved med at krympe i størrelse - og for at hjælpe Moores lov med at forblive sande. Deres arbejde blev for nylig offentliggjort i Naturmaterialer .

Elektriske isoleringsmaterialer, der minimerer elektrisk krydstale i chips kaldes "low-k" dielektri. Denne materialetype er den tavse helt, der gør al elektronik mulig ved at styre strømmen for at eliminere signal erosion og interferens; ideelt set, det kan også trække skadelig varme forårsaget af elektrisk strøm væk fra kredsløbet. Varmeproblemet bliver eksponentielt, da chippen bliver mindre, fordi der ikke kun er flere transistorer i et givet område, hvilket skaber mere varme i det samme område, de er tættere på hinanden, hvilket gør det sværere for varmen at sprede sig.

"Forskere har været på jagt efter et lav-k dielektrisk materiale, der kan håndtere varmeoverførsel og rumspørgsmål, der er forbundet med meget mindre skalaer, "Sagde Hopkins." Selvom vi er nået langt, nye gennembrud kommer bare ikke til at ske, medmindre vi kombinerer discipliner. Til dette projekt har vi brugt forskning og principper fra flere områder - maskinteknik, kemi, materialevidenskab, elektroteknik - for at løse et virkelig hårdt problem, som ingen af ​​os kunne klare selv. "

Hopkins er en af ​​lederne for UVA Engineering's initiativ til integration af multifunktionelle materialer, som samler forskere fra flere tekniske discipliner til at formulere materialer med en bred vifte af funktionaliteter.

"At se 'mit' problem gennem en andens linse i et andet felt var ikke kun fascinerende, det udløste også ideer, der i sidste ende bragte fremgang. Jeg tror, ​​vi alle havde den oplevelse, "sagde Ashutosh Giri, en tidligere UVA Engineering seniorforsker og ph.d. studerende i Hopkins 'laboratorium, den første forfatter på Naturmaterialer papir og en mekanisk, industri- og systemteknisk assisterende professor ved Rhode Island University.

"Hjertet i projektet var, da det kemiske team indså den termiske funktionalitet af deres materiale, at forstå en ny dimension om deres arbejde, og når mekanik- og materialeteamet forstod graden af ​​molekylær teknik, der var mulig med kemi, "Sagde Giri.

"Vi tager polymerplader, der kun er et atom tykke-vi kalder dette 2-D-og styrer deres egenskaber ved at lægge lagene i en bestemt arkitektur, "Sagde Dichtel.

"Vores bestræbelser på at forbedre metoderne til fremstilling af 2-D polymerfilm i høj kvalitet muliggjorde dette samarbejde."

Teamet anvender denne nye materialeklasse for at forsøge at opfylde kravene til miniaturiserende transistorer på en tæt chip, Sagde Dichtel.

"Dette har et enormt potentiale til brug i halvlederindustrien, industrien, der fremstiller chips. Materialet har både lav elektrisk ledningsevne, eller 'lav-k, 'og høj varmeoverførselsevne, " han sagde.

Denne kombination af ejendomme blev for nylig identificeret af International Roadmap for Semiconductors som en forudsætning for næste generations integrerede kredsløb.

"Til dette projekt, vi fokuserer på de termiske egenskaber for denne nye materialeklasse, hvilket er fantastisk, men endnu mere spændende er, at vi bare kradser i overfladen, "sagde Austin Evans, en ph.d. studerende i Dichtels laboratorium i Northwestern og første medforfatter på Naturmaterialer papir. "At udvikle nye materialeklasser med unikke kombinationer af egenskaber har et fantastisk teknologisk potentiale.

"Vi er allerede ved at udforske denne nye klasse materialer til mange applikationer, for eksempel, kemisk sansning. Vi kan bruge disse materialer til at bestemme - 'fornuftigt' - hvilke kemikalier og hvor meget af disse kemikalier, der er i luften. Dette har vidtrækkende konsekvenser. For eksempel, ved at kende til kemikalierne i luften, vi kan optimere madopbevaring, transportere, og distribution for at reducere det globale madspild. Når vi fortsætter med at udforske, vi vil sandsynligvis finde endnu flere egenskaber, der er unikke for disse nye materialer, "Sagde Evans.