Forsker i grafen nanoelektronik til en post-silicium verden

Kobbers dage er talte, og en ny undersøgelse ved Rensselaer Polytechnic Institute kunne fremskynde undergangen af ​​det allestedsnærværende metal i smartphones, tablet-computere, og næsten al elektronik. Dette er gode nyheder for teknofiler, der søger mindre, hurtigere enheder.

Efterhånden som nye generationer af computerchips fortsætter med at skrumpe i størrelse, det samme gør kobberbanerne, der transporterer elektricitet og information rundt i labyrinten af ​​transistorer og komponenter. Når disse veje - kaldet sammenkoblinger - bliver mindre, de bliver mindre effektive, bruger mere strøm, og er mere tilbøjelige til permanent svigt.

For at overvinde denne forhindring, industrien og den akademiske verden forsker ihærdigt efter nye kandidater til at efterfølge traditionelt kobber som det foretrukne materiale til sammenkoblinger på computerchips. En lovende kandidat er grafen, et atomtykt ark af kulstofatomer arrangeret som et hønsetrådshegn i nanoskala. Priset af forskere for sine unikke egenskaber, grafen er i det væsentlige et enkelt lag af den grafit, der almindeligvis findes i vores blyanter eller det trækul, vi brænder på vores grill.

Ledet af Rensselaer Professor Saroj Nayak, et team af forskere opdagede, at de kunne forbedre grafens evne til at overføre elektricitet ved at stable flere tynde grafenbånd oven på hinanden. Studiet, offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano , bringer industrien tættere på at realisere grafen nanoelektronik og udnævne grafen som arvtageren til kobber.

"Graphene viser et enormt potentiale for brug i sammenkoblinger, og opstabling af grafen viser en levedygtig måde at masseproducere disse strukturer på, " sagde Nayak, professor ved Institut for Fysik, Anvendt fysik, og Astronomi ved Rensselaer. "Coopers begrænsninger er tydelige, da stadigt mindre kobberforbindelser lider af træge elektronstrømme, der resulterer i varmere, mindre pålidelige enheder. Vores nye undersøgelse argumenterer for muligheden for, at stakke af grafenbånd kan have det, der skal til for at blive brugt som sammenkoblinger i integrerede kredsløb."

Studiet, baseret på kvantesimuleringer i stor skala, blev udført ved hjælp af Rensselaer Computational Center for Nanotechnology Innovations (CCNI), en af ​​verdens mest kraftfulde universitetsbaserede supercomputere.

Kobberforbindelser lider af en række uønskede problemer, som bliver mere fremtrædende, efterhånden som størrelsen af ​​forbindelserne krymper. Elektroner bevæger sig trægt gennem kobbernanotrådene og genererer intens varme. Som resultat, elektronerne "slæber" kobberatomer rundt med sig. Disse malplacerede atomer øger kobbertrådens elektriske modstand, og forringe ledningens evne til at transportere elektroner. Dette betyder, at færre elektroner er i stand til at passere gennem kobberet med succes, og eventuelle dvælende elektroner udtrykkes som varme. Denne varme kan have negative effekter på både en computerchips hastighed og ydeevne.

Det er almindeligt accepteret, at en kvalitetserstatning for traditionelt kobber skal opdages og perfektioneres i løbet af de næste fem til 10 år for yderligere at fastholde Moores lov - et industrimantra, der angiver antallet af transistorer på en computerchip, og dermed chippens hastighed, bør fordobles hver 18. til 24. måned.

Nayaks seneste arbejde, offentliggjort i tidsskriftet ACS Nano, har titlen "Effekt af lagstabling på den elektroniske struktur af grafen nanorribbons." Når det skæres i nanobånd, grafen er kendt for at udvise et båndgab - et energigab mellem valens- og ledningsbåndene - hvilket er en uattraktiv egenskab for sammenkoblinger. Den nye undersøgelse viser, at stabling af grafen nanobåndene oven på hinanden, imidlertid, kunne mindske dette båndgab markant. Undersøgelsen kan ses online på:http://dx.doi.org/10.1021/nn200941u

"Den optimale tykkelse er en stak af fire til seks lag grafen, " sagde Neerav Kharche, første forfatter til undersøgelsen og en computerforsker ved CCNI. "At stable flere lag ud over denne tykkelse reducerer ikke båndgabet yderligere."

Slutdestinationen, Nayak sagde, er at en dag fremstille mikroprocessorer – både sammenkoblingerne og transistorerne – helt ud af grafen. Dette spil-ændrende mål, kaldet monolitisk integration, ville betyde afslutningen på den lange æra med kobberforbindelser og siliciumtransistorer.

"Sådan et fremskridt er sandsynligvis stadig mange år ude i fremtiden, men det vil helt sikkert revolutionere den måde, næsten alle computere og elektronik er designet og fremstillet på, " sagde Nayak.