Næste generations nanoelektronik:Et årti med fremskridt, kommende fremskridt

Traditionelle siliciumbaserede integrerede kredsløb findes i mange applikationer, fra store dataservere til biler til mobiltelefoner. Deres udbredte integration skyldes til dels halvlederindustriens evne til fortsat at levere pålidelig og skalerbar ydeevne i årtier.

Imidlertid, mens siliciumbaserede kredsløb fortsætter med at skrumpe i størrelse i den ubarmhjertige forfølgelse af Moores lov - forudsigelsen om, at antallet af transistorer, der kan passe på et integreret kredsløb, fordobles hvert andet år - stiger strømforbruget hurtigt. Ud over, konventionel siliciumelektronik fungerer ikke godt i ekstreme miljøer såsom høje temperaturer eller stråling.

I et forsøg på at fastholde fremskridt for disse enheder og samtidig begrænse strømforbruget, forskellige forskningsmiljøer leder efter hybride eller alternative teknologier. Nanoelectromechanical (NEM) switch-teknologi er en mulighed, der lover meget.

"NEM-switche består af en nanostruktur (såsom et carbonnanorør eller nanotråd), der afbøjes mekanisk under elektrostatiske kræfter for at skabe eller bryde kontakt med en elektrode, " sagde Horacio Espinosa, James N. og Nancy J. Farley professor i fremstilling og iværksætteri ved McCormick School of Engineering ved Northwestern University.

NEM switche, som kan designes til at fungere som en siliciumtransistor, kan bruges enten i selvstændige eller hybride NEM-siliciumenheder. De tilbyder både ultralavt strømforbrug og en stærk tolerance over for høje temperaturer og strålingseksponering.

I betragtning af deres potentiale, I det seneste årti har der været stor opmærksomhed på udviklingen af ​​både hybride og selvstændige NEM-enheder. Dette årti med fremskridt er gennemgået af Espinosas gruppe i det aktuelle nummer af tidsskriftet Natur nanoteknologi. Deres gennemgang giver en omfattende diskussion af disse teknologiers potentiale, samt de primære udfordringer forbundet med at adoptere dem.

For eksempel, en langvarig udfordring har været at skabe arrays af millioner af nanostrukturer, såsom kulstof nanorør, der bruges til at lave disse NEM-enheder. (For perspektiv, moderne siliciumelektronik kan have milliarder af transistorer på en enkelt chip.) Forskernes gennemgang beskriver de metoder, der er demonstreret til dato for at skabe disse arrays, og hvordan de kan give en vej til at realisere hybride NEM-CMOS-enheder i masseskala.

Tilsvarende mens individuelle NEM-enheder viser ekstrem høj ydeevne, det har vist sig svært indtil videre at få dem til at fungere pålideligt i millioner af cyklusser, hvilket er nødvendigt, hvis de skal bruges i forbrugerelektronik. Gennemgangen beskriver de forskellige fejlmetoder og beskriver lovende metoder til at overvinde dem.

Et eksempel på de fremskridt, der letter forbedret robusthed af NEM-switchteknologier, er rapporteret i det aktuelle nummer af Advanced Materials. Her viser Espinosa og hans gruppe, hvordan nyt materialevalg i høj grad kan forbedre robustheden af ​​både hybrid NEM-CMOS og enkeltstående NEM-enheder.

"NEM-enheder med almindeligt anvendte metalelektroder svigter ofte ved en af ​​en række forskellige fejltilstande efter kun få aktiveringscyklusser, " sagde Owen Loh, en ph.d.-studerende ved Northwestern University og medforfatter til papiret, i øjeblikket hos Intel.

Simpelthen ved at udskifte metalelektroderne med elektroder lavet af ledende diamantlignende carbonfilm, gruppen var i stand til dramatisk at forbedre antallet af cyklusser, som disse enheder tåler. Switche, der oprindeligt fejlede efter færre end 10 cyklusser, fungerede nu i 1 million cyklusser uden fejl. Dette lette, men effektive fremskridt kan være et vigtigt skridt i retning af at realisere NEM-enhederne, hvis potentiale er skitseret i den nylige gennemgang.

Arbejdet rapporteret i Advanced Materials var et fælles samarbejde mellem Northwestern University, Center for Integrerede Nanoteknologier ved Sandia National Laboratories, og Center for Nanoscale Materials ved Argonne National Laboratories. Finansiering blev leveret af National Science Foundation, hærens forskningskontor, Det amerikanske energiministerium, og Office of Naval Research.

"Ultimativt, at realisere næste generations hybride NEM-CMOS-enheder vil muliggøre fortsat skalering af den elektronik, der driver adskillige systemer, vi møder på daglig basis, " sagde Espinosa. "På samme tid, det vil kræve fortsat skub fra ingeniøren, grundlæggende videnskaber, og materialevidenskabelige samfund."