Ny teknik forbinder multi-walled carbon nanorør

(Phys.org) - Ved hjælp af en ny metode til præcist at kontrollere aflejringen af ​​kulstof, forskere har demonstreret en teknik til at forbinde multi-walled carbon nanorør til metalliske puder i integrerede kredsløb uden den høje grænseflademodstand frembragt ved traditionelle fremstillingsteknikker.

Baseret på elektronstråleinduceret aflejring (EBID), arbejdet menes at være det første til at forbinde flere skaller af et multi-walled carbon nanorør til metalterminaler på et halvledende substrat, som er relevant for fremstilling af integrerede kredsløb. Ved hjælp af denne tredimensionelle fremstillingsteknik, forskere ved Georgia Institute of Technology udviklede grafitiske nano-led i begge ender af de multi-walled carbon nanorør, hvilket gav et 10-faldet fald i resistivitet i forbindelse med metalforbindelser.

Teknikken kunne lette integrationen af ​​carbon nanorør som sammenkoblinger i næste generations integrerede kredsløb, der bruger både silicium og kulstofkomponenter. Forskningen blev støttet af Semiconductor Research Corporation, og i sine tidlige stadier, af National Science Foundation. Arbejdet blev rapporteret online den 4. oktober 2012, af tidsskriftet IEEE Transactions on Nanotechnology.

"For første gang, vi har etableret forbindelser til flere skaller af carbon nanorør med en teknik, der kan integreres med konventionelle integrerede kredsløbsmikrofabrikationsprocesser, "sagde Andrei Fedorov, en professor i George W. Woodruff School of Mechanical Engineering ved Georgia Tech. "Tilslutning til flere skaller giver os mulighed for dramatisk at reducere modstanden og gå videre til det næste niveau af enhedens ydeevne."

Ved udviklingen af ​​den nye teknik, forskerne stolede på modellering for at styre deres procesparametre. For at gøre den skalerbar til fremstilling, de arbejdede også hen imod teknologier til isolering og tilpasning af individuelle carbon nanorør mellem metalterminalerne på et siliciumsubstrat, og til undersøgelse af egenskaberne af de resulterende strukturer. Forskerne mener, at teknikken også kan bruges til at forbinde flerlags grafen til metalkontakter, selvom deres publicerede forskning hidtil har fokuseret på carbon nanorør.

Lavtemperatur EBID-processen finder sted i et scanningselektronmikroskop (SEM) system modificeret til materialeaflejring. SEM's vakuumkammer ændres for at introducere forstadier til de materialer, forskere gerne vil deponere. Elektronpistolen, der normalt bruges til billeddannelse af nanostrukturer, bruges i stedet til at generere lavenergi sekundære elektroner, når de højenergiske primære elektroner støder på substratet på omhyggeligt udvalgte steder. Når de sekundære elektroner interagerer med carbonhydridprekursormolekyler indført i SEM -kammeret, kul aflejres de ønskede steder.

Unikt for EBID -processen, det aflejrede kulstof gør en stærk, kemisk bundet forbindelse til enderne af carbon nanorørene, i modsætning til den svagt koblede fysiske grænseflade fremstillet i traditionelle teknikker baseret på metalfordampning. Inden deponering, enderne af nanorørene åbnes ved hjælp af en ætsningsproces, så det deponerede kulstof vokser ind i den åbne ende af nanorøret for elektronisk at forbinde flere skaller. Termisk udglødning af kulstoffet efter aflejring omdanner det til en krystallinsk grafitform, der forbedrer elektrisk ledningsevne markant.

"Atom-for-atom, vi kan bygge forbindelsen, hvor elektronstrålen rammer lige i nærheden af ​​den åbne ende af carbon nanorørene, "Forklarer Fedorov." Den højeste deponeringshastighed forekommer, hvor koncentrationen af ​​forløber er høj, og der er mange sekundære elektroner. Dette giver et nanoskala-skulptureringsværktøj med tredimensionel kontrol til tilslutning af de åbne ender af carbon-nanorør på ethvert ønsket substrat. "

Multi-walled carbon nanorør giver løfte om højere informationsoverførselshastighed for visse sammenkoblinger, der bruges i elektroniske enheder. Forskere har forestillet sig en fremtidig generation af hybridenheder baseret på traditionelle integrerede kredsløb, men ved hjælp af sammenkoblinger baseret på carbon nanorør.

Indtil nu, imidlertid, modstanden ved forbindelserne mellem carbonstrukturer og konventionel siliciumelektronik har været for høj til at gøre enhederne praktiske.

"Den store udfordring på dette område er at oprette forbindelse ikke kun til en enkelt skal af et carbon nanorør, "sagde Fedorov." Hvis kun ydervæggen af ​​et carbon -nanorør er forbundet, du vinder virkelig ikke meget, fordi det meste af transmissionskanalen er underudnyttet eller slet ikke udnyttet. "

Teknikken udviklet af Fedorov og hans samarbejdspartnere producerer rekordlav resistivitet ved forbindelsen mellem carbon nanorøret og metalpladen. Forskerne har målt modstand helt ned til cirka 100 ohm - en faktor ti lavere end den bedste, der var blevet målt med andre tilslutningsteknikker.

"Denne teknik giver os mange nye muligheder for at gå videre med at integrere disse carbon nanostrukturer i konventionelle enheder, "sagde han." Fordi det er kulstof, denne grænseflade har en fordel, fordi dens egenskaber ligner dem for carbon -nanorørene, som de giver en forbindelse til. "

Forskerne ved ikke præcist, hvor mange af kulstof -nanorørskallerne der er forbundet, men baseret på modstandsmålinger, de mener, at mindst 10 af de cirka 30 ledende skaller bidrager til elektrisk ledning.

Imidlertid, håndtering af carbon nanorør udgør en betydelig udfordring for deres anvendelse som sammenkoblinger. Når den dannes gennem den elektriske lysbue teknik, for eksempel, kulstofnanorør produceres som et virvar af strukturer med varierende længder og egenskaber, nogle med mekaniske defekter. Der er udviklet teknikker til at adskille enkelte nanorør, og for at åbne deres ender.

Fedorov og hans samarbejdspartnere - nuværende og tidligere kandidatstuderende Songkil Kim, Dhaval Kulkarni, Konrad Rykaczewski og Mathias Henry, sammen med Georgia Tech-professor Vladimir Tsukruk-udviklet en metode til at tilpasse de multi-walled nanorør på tværs af elektroniske kontakter ved hjælp af fokuserede elektriske felter i kombination med en substratskabelon, der er skabt gennem elektronstråle litografi. Processen har et betydeligt forbedret udbytte af korrekt justerede carbon nanorør, med potentiale for skalerbarhed over et stort chipområde.

Når nanorørene er placeret i deres positioner, kulstoffet aflejres ved hjælp af EBID -processen, efterfulgt af grafitisering. Fasetransformationen i carboninterfacet overvåges ved hjælp af Raman -spektroskopi for at sikre, at materialet transformeres til dets optimale nanokrystallinske grafittilstand.

"Kun ved at gøre fremskridt på hvert af disse områder kan vi opnå dette teknologiske fremskridt, som er en muliggørende teknologi til nanoelektronik baseret på kulstofmaterialer, "sagde han." Dette er virkelig et kritisk trin for at fremstille mange forskellige slags enheder ved hjælp af carbon nanorør eller grafen. "

Inden den nye teknik kan bruges i stor skala, forskere bliver nødt til at forbedre deres teknik til at tilpasse carbon nanorør og udvikle EBID -systemer, der kan deponere stik på flere enheder samtidigt. Fremskridt i parallelle elektronstrålesystemer kan give en måde at masseproducere forbindelserne, Sagde Fedorov.

"Der mangler stadig et stort stykke arbejde på dette område, men vi mener, at dette er muligt, hvis industrien bliver interesseret, "bemærkede han." Der er applikationer, hvor integration af carbon nanorør i kredsløb kan være meget attraktivt. "