Forskning afdækker pålidelighedsproblemer for kulstofnanorør i fremtidens elektronik

(PhysOrg.com) -- Carbon nanorør giver et stort løfte i en lille pakke. For eksempel, disse små cylindre af kulstofmolekyler kan teoretisk bære 1, 000 gange mere elektrisk strøm end en metalleder af samme størrelse. Det er let at forestille sig, at kulstofnanorør erstatter kobberledninger i fremtidens elektronik i nanoskala.

Men - ikke så hurtigt. Nylige test fra National Institute of Standards and Technology (NIST) tyder på, at enhedens pålidelighed er et stort problem.

Kobbertråde transporterer strøm og andre signaler mellem alle dele af integrerede kredsløb; selv en defekt leder kan forårsage chipfejl. Som en grov sammenligning, NIST -forskere fremstillede og testede adskillige nanorørforbindelser mellem metalelektroder. NIST testresultater, beskrevet på en konference i denne uge, * viser, at nanorør kan opretholde ekstremt høje strømtætheder (ti til hundredvis af gange større end i et typisk halvlederkredsløb) i flere timer, men langsomt nedbrydes under konstant strøm. Af større bekymring, metalelektroderne svigter - kanterne trækker sig tilbage og klumper sig - når strømmene stiger over en vis tærskel. Kredsløbene svigtede på omkring 40 timer.

Mens mange forskere rundt om i verden studerer nanorørs fabrikation og egenskaber, NIST-værket giver et tidligt kig på, hvordan disse materialer kan opføre sig i rigtige elektroniske enheder på lang sigt. For at understøtte industrielle anvendelser af disse nye materialer, NIST udvikler måle- og testteknikker og studerer en række forskellige nanorørstrukturer, nulstilling af, hvad der sker i skæringspunkterne mellem nanorør og metaller og mellem forskellige nanorør. "Det fælles link er, at vi virkelig har brug for at studere grænsefladerne, " siger Mark Strus, en NIST postdoc-forsker.

I en anden, relateret undersøgelse offentliggjort for nylig, ** NIST-forskere identificerede fejl i kulstof nanorør-netværk - materialer, hvor elektroner fysisk hopper fra rør til rør. Fejl i dette tilfælde syntes at forekomme mellem nanorør, punktet med højeste modstand, siger Strus. Ved at overvåge startmodstanden og de indledende stadier af materialenedbrydning, forskere kunne forudsige, om modstanden ville nedbrydes gradvist – hvilket gør det muligt at sætte operationelle grænser – eller i en sporadisk, uforudsigelig måde, der ville underminere enhedens ydeevne. NIST udviklede elektriske stresstest, der forbinder indledende modstand med nedbrydningshastighed, forudsigelighed af fejl og enhedens samlede levetid. Testen kan bruges til at screene for korrekt fremstilling og pålidelighed af nanorør-netværk.

På trods af bekymringerne om pålidelighed, Strus forestiller sig, at kulstof nanorør-netværk i sidste ende kan være meget nyttige til nogle elektroniske applikationer. "For eksempel, kulstof nanorør-netværk er muligvis ikke en erstatning for kobber i logik- eller hukommelsesenheder, men de kan vise sig at være sammenkoblinger til fleksible elektroniske skærme eller fotovoltaik, " siger Strus.

Samlet set, NIST-forskningen vil hjælpe med at kvalificere nanorørmaterialer til næste generations elektronik, og hjælpe procesudviklere med at bestemme, hvor godt en struktur kan tolerere høj elektrisk strøm og justere behandlingen i overensstemmelse hermed for at optimere både ydeevne og pålidelighed.