Forskere demonstrerer første skridt i retning af kommerciel fremstilling af carbon nanorør som en efterfølger til silicium

IBM -forskere har demonstreret en ny tilgang til kulstofnanoteknologi, der åbner vejen for kommerciel fremstilling af dramatisk mindre, hurtigere og mere kraftfulde computerchips. For første gang, mere end ti tusinde arbejdstransistorer fremstillet af nanostørrelsesrør af kulstof er præcist placeret og testet i en enkelt chip ved hjælp af standard halvlederprocesser. Disse carbon -enheder er klar til at erstatte og udkonkurrere siliciumteknologi, der muliggør yderligere miniaturisering af computerkomponenter og fører vejen for fremtidig mikroelektronik.

Hjulpet af hurtig innovation over fire årtier, silicium mikroprocessorteknologi er løbende skrumpet i størrelse og forbedret ydeevne, derved driver informationsteknologisk revolution. Silicon transistorer, små switches, der bærer information på en chip, er blevet gjort mindre år efter år, men de nærmer sig et punkt med fysisk begrænsning. Deres stadig mindre dimensioner, når nu nanoskalaen, vil forbyde enhver gevinst i ydeevne på grund af siliciums natur og fysikkens love. Inden for et par generationer mere, klassisk skalering og svind vil ikke længere give de betydelige fordele ved lavere effekt, lavere omkostninger og processorer med højere hastighed, som industrien har vænnet sig til.

Carbon nanorør repræsenterer en ny klasse af halvledermaterialer, hvis elektriske egenskaber er mere attraktive end silicium, især til opbygning af nanoskala transistoranordninger, der er få titalls atomer på tværs. Elektroner i carbontransistorer kan bevæge sig lettere end i siliciumbaserede enheder, hvilket muliggør hurtigere transport af data. Nanorørene er også ideelt formet til transistorer i atomskala, en fordel i forhold til silicium. Disse kvaliteter er blandt årsagerne til at erstatte den traditionelle siliciumtransistor med kulstof - og kombineret med nye chipdesignarkitekturer - vil muliggøre computinginnovation i en miniatureskala for fremtiden.

Den fremgangsmåde, der blev udviklet på IBMs laboratorier, baner vejen for kredsløbsproduktion med et stort antal carbon -nanorørstransistorer på forudbestemte substratpositioner. Evnen til at isolere halvledende nanorør og placere en høj densitet af kulstofanordninger på en wafer er afgørende for at vurdere deres egnethed til en teknologi - i sidste ende vil der være brug for mere end en milliard transistorer til fremtidig integration i kommercielle chips. Indtil nu, forskere har højst været i stand til at placere et par hundrede carbon nanorør -enheder ad gangen, ikke nær nok til at løse vigtige spørgsmål til kommercielle applikationer.

"Carbon nanorør, båret af kemi, har stort set været laboratorie -nysgerrigheder for så vidt angår mikroelektroniske applikationer. Vi forsøger de første skridt mod en teknologi ved at fremstille carbon nanorørstransistorer inden for en konventionel waferfremstillingsinfrastruktur, "sagde Supratik Guha, Director of Physical Sciences hos IBM Research. "Motivationen til at arbejde med carbon nanorørstransistorer er, at ved ekstremt små nanoskala dimensioner, de overgår transistorer fremstillet af ethvert andet materiale. Imidlertid, der er udfordringer at tage fat på, f.eks. ultrahøj renhed af carbon -nanorørene og bevidst placering på nanoskalaen. Vi har gjort betydelige fremskridt i begge. "

Oprindeligt undersøgt for fysikken, der stammer fra deres atomære dimensioner og former, carbon nanorør udforskes af forskere verden over i applikationer, der spænder over integrerede kredsløb, energilagring og konvertering, biomedicinsk sansning og DNA -sekventering.

Denne præstation blev offentliggjort i dag i det peer-reviewed journal Naturnanoteknologi .

Vejen til kulstof

Kulstof, et let tilgængeligt grundelement, hvorfra krystaller så hårde som diamanter og så bløde som "blyet" i en blyant er fremstillet, har omfattende IT-applikationer.

Carbon nanorør er enkelte atomark af kul rullet op i et rør. Kulstof -nanorøret udgør kernen i en transistorenhed, der fungerer på en måde, der ligner den nuværende silicium -transistor, men vil klare sig bedre. De kunne bruges til at erstatte transistorer i chips, der driver vores dataknusende servere, højtydende computere og ultrahurtige smartphones.

Tidligere i år, IBM -forskere demonstrerede carbon nanorørstransistorer kan fungere som fremragende switches ved molekylære dimensioner på mindre end ti nanometer - svarende til 10, 000 gange tyndere end en hårstrå og mindre end halvdelen af ​​størrelsen på den førende siliciumteknologi. Omfattende modellering af de elektroniske kredsløb tyder på, at omkring fem til ti gange forbedring af ydeevnen i forhold til siliciumkredsløb er mulig.

Der er praktiske udfordringer for carbon nanorør til at blive en kommerciel teknologi, især som nævnt tidligere, på grund af enhedernes renhed og placering. Carbon nanorør kommer naturligvis som en blanding af metalliske og halvledende arter og skal placeres perfekt på waferoverfladen for at lave elektroniske kredsløb. Til enhedsdrift, kun den halvledende slags rør er nyttig, hvilket kræver i det væsentlige fuldstændig fjernelse af de metalliske for at forhindre fejl i kredsløb. Også, for at storskala integration kan ske, det er kritisk at være i stand til at kontrollere justeringen og placeringen af ​​carbon nanorør -enheder på et substrat.

For at overvinde disse barrierer, IBM-forskere udviklede en ny metode baseret på ionbytningskemi, der tillader præcis og kontrolleret placering af justerede kulstofnanorør på et substrat med en høj densitet-to størrelsesordener større end tidligere eksperimenter, muliggør kontrolleret placering af individuelle nanorør med en tæthed på cirka en milliard pr. kvadratcentimeter.

Processen starter med carbon nanorør blandet med et overfladeaktivt stof, en slags sæbe, der gør dem opløselige i vand. Et substrat består af to oxider med skyttegrave lavet af kemisk modificeret hafniumoxid (HfO ₂ ) and the rest of silicon oxide (SiO ₂ ). The substrate gets immersed in the carbon nanotube solution and the nanotubes attach via a chemical bond to the HfO ₂ regions while the rest of the surface remains clean.

By combining chemistry, processing and engineering expertise, IBM researchers are able to fabricate more than ten thousand transistors on a single chip.

Desuden, rapid testing of thousands of devices is possible using high volume characterization tools due to compatibility to standard commercial processes.

As this new placement technique can be readily implemented, involving common chemicals and existing semiconductor fabrication, it will allow the industry to work with carbon nanotubes at a greater scale and deliver further innovation for carbon electronics.