Metaltråde af kulstof komplet værktøjskasse til kulstofbaserede computere

Transistorer baseret på kulstof frem for silicium kan potentielt øge computernes hastighed og reducere deres strømforbrug mere end tusind gange – tænk på en mobiltelefon, der holder sin ladning i månedsvis – men det sæt værktøjer, der er nødvendige for at bygge fungerende kulstofkredsløb, har været ufuldstændigt indtil nu.

Et hold af kemikere og fysikere ved University of California, Berkeley, har endelig lavet det sidste værktøj i værktøjskassen, en metaltråd udelukkende lavet af kulstof, sætter scenen for en fremgang i forskningen for at bygge kulstofbaserede transistorer og, ultimativt, computere.

"Forbliver inden for det samme materiale, inden for kulstofbaserede materialer, er det, der bringer denne teknologi sammen nu, sagde Felix Fischer, UC Berkeley professor i kemi, bemærker, at evnen til at lave alle kredsløbselementer af det samme materiale gør fremstillingen lettere. "Det har været en af ​​de vigtigste ting, der har manglet i det store billede af en udelukkende kulstofbaseret integreret kredsløbsarkitektur."

Metalledninger - ligesom de metalliske kanaler, der bruges til at forbinde transistorer i en computerchip - fører elektricitet fra enhed til enhed og forbinder de halvledende elementer i transistorer, computernes byggesten.

UC Berkeley-gruppen har i flere år arbejdet på, hvordan man laver halvledere og isolatorer af grafen nanobånd, som er smalle, endimensionelle strimler af atomtyk grafen, en struktur, der udelukkende består af kulstofatomer arrangeret i et indbyrdes forbundet sekskantet mønster, der ligner hønsenet.

Det nye kulstofbaserede metal er også et grafen nanobånd, men designet med et øje mod at lede elektroner mellem halvledende nanobånd i udelukkende kulstoftransistorer. De metalliske nanobånd blev bygget ved at samle dem fra mindre identiske byggeklodser:en bottom-up tilgang, sagde Fischers kollega, Michael Crommie, en UC Berkeley professor i fysik. Hver byggesten bidrager med en elektron, der kan flyde frit langs nanobåndet.

Mens andre kulstofbaserede materialer - som udvidede 2-D-plader af grafen og kulstofnanorør - kan være metalliske, de har deres problemer. Omformning af et 2-D ark grafen til strimler i nanometerskala, for eksempel, forvandler dem spontant til halvledere, eller endda isolatorer. Kulstof nanorør, som er fremragende dirigenter, kan ikke fremstilles med samme præcision og reproducerbarhed i store mængder som nanobånd.

"Nanoribbons giver os kemisk adgang til en bred vifte af strukturer ved hjælp af bottom-up fabrikation, noget endnu ikke er muligt med nanorør, " sagde Crommie. "Dette har givet os mulighed for dybest set at sy elektroner sammen for at skabe et metallisk nanobånd, noget, der ikke er gjort før. Dette er en af ​​de store udfordringer inden for grafen nanoribbon-teknologi, og hvorfor vi er så begejstrede for det."

Metalliske grafen nanobånd - som har en bred, delvist udfyldt elektronisk bånd, der er karakteristisk for metaller - bør være sammenligneligt i konduktans med 2-D grafen selv.

"Vi synes, at de metalliske ledninger virkelig er et gennembrud; det er første gang, at vi med vilje kan skabe en ultrasmal metallisk leder - en god, indre leder - ud af kulstofbaserede materialer, uden behov for ekstern doping, " tilføjede Fischer.

Crommie, Fischer og deres kolleger ved UC Berkeley og Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) vil offentliggøre deres resultater i tidsskriftets 25. september-udgave Videnskab .

Justering af topologien

Siliciumbaserede integrerede kredsløb har drevet computere i årtier med stadigt stigende hastighed og ydeevne, ifølge Moores lov, men de når deres hastighedsgrænse – dvs. hvor hurtigt de kan skifte mellem nuller og ettaller. Det bliver også sværere at reducere strømforbruget; computere bruger allerede en væsentlig del af verdens energiproduktion. Kulstofbaserede computere kunne potentielt skifte mange gange hurtigere end siliciumcomputere og kun bruge brøkdele af strømmen, sagde Fischer.

grafen, som er rent kulstof, er en førende udfordrer til denne næste generation, kulstofbaserede computere. Smalle strimler af grafen er primært halvledere, imidlertid, og udfordringen har været at få dem til også at fungere som isolatorer og metaller – modsatte yderpunkter, totalt ikke-ledende og fuldt dirigerende, henholdsvis - for at konstruere transistorer og processorer udelukkende af kulstof.

For flere år siden, Fischer og Crommie gik sammen med den teoretiske materialeforsker Steven Louie, en UC Berkeley professor i fysik, at opdage nye måder at forbinde små længder af nanobånd for pålideligt at skabe hele spektret af ledende egenskaber.

To år siden, holdet viste, at ved at forbinde korte segmenter af nanobånd på den rigtige måde, elektroner i hvert segment kunne arrangeres for at skabe en ny topologisk tilstand - en speciel kvantebølgefunktion - der fører til afstembare halvledende egenskaber.

I det nye værk, de bruger en lignende teknik til at sy korte segmenter af nanobånd sammen for at skabe en ledende metaltråd, der er ti nanometer lang og knap en nanometer bred.

Nanobåndene blev skabt kemisk og afbildet på meget flade overflader ved hjælp af et scanning tunneling mikroskop. Simpel varme blev brugt til at få molekylerne til at reagere kemisk og slutte sig sammen på den helt rigtige måde. Fischer sammenligner samlingen af ​​daisy-chained byggeklodser med et sæt lego, men lego designet til at passe på atomskalaen.

"De er alle sammen præcist konstrueret, så der kun er én måde, de kan passe sammen. Det er, som om du tager en pose lego, og du ryster den, og ud kommer en færdigmonteret bil, " sagde han. "Det er magien ved at kontrollere selvsamlingen med kemi."

Når den er samlet, det nye nanobånds elektroniske tilstand var et metal – præcis som Louie forudsagde – hvor hvert segment bidrog med en enkelt ledende elektron.

Det endelige gennembrud kan tilskrives en lille ændring i nanobåndstrukturen.

"Ved brug af kemi, vi skabte en lille forandring, en ændring i kun en kemisk binding pr. 100 atomer, men som øgede nanobåndets metallicitet med en faktor på 20, og det er vigtigt, fra et praktisk synspunkt, for at gøre dette til et godt metal, " sagde Crommie.

De to forskere arbejder sammen med elektriske ingeniører på UC Berkeley for at samle deres værktøjskasse af halvledende, isolerende og metalliske grafen nanobånd til fungerende transistorer.

"Jeg tror på, at denne teknologi vil revolutionere, hvordan vi bygger integrerede kredsløb i fremtiden, " sagde Fischer. "Det burde tage os et stort skridt op fra den bedste præstation, der kan forventes fra silicium lige nu. Vi har nu en vej til at få adgang til hurtigere omskiftningshastigheder til meget lavere strømforbrug. Det er det, der driver fremstødet mod en kulstofbaseret elektronikhalvlederindustri i fremtiden."