Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Понедельник, 20 августа
 
 


Это интересно!

Новости


Обзоры, аналитика


Интервью, презентации

Ранее

Кластеры развивают производства

Промышленность стала «подушкой безопасности» для городской экономики.

Productronica-2013: на пороге нового подъема в отрасли

В ноябре 2013 г. в Мюнхене с успехом прошла юбилейная 20-я выставка инновационного производства электроники Рroductronica. За четыре выставочных дня около 38 000 посетителей из 83 стран ознакомились с экспонатами более 1200 компаний, что стало новым рекордом выставки. Значительную долю прироста составили участники из Российской Федерации, Китая и Турции.

Дмитрий Рогозин: киборги услышали призыв

В нашей стране разворачивается масштабная программа по созданию боевых роботов.

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

28 марта

Углеродные нанотрубки станут основой новой электроники

Нанотрубки имеют перспективы использования во многих областях современной техники, но их наиболее эффективное применение связано с разработками в различных разделах современной электроники. Так, на их основе собраны транзисторы, нанопровода, самый экономичный логический вентиль, самый плотный массив для создания радиаторов и производства электродов, нанторубки – эффективный термоустойчивый межфазный материал. Cенсацией последнего времени стало создание компьютера на основе углеродных нанотрубок. Похоже, они начинают вытеснять из электроники традиционный кремний...



Н

анотрубки (НТ) имеют малые размеры (область нанометров), которые можно задавать в различных пределах, в зависимости от условий синтеза. Им свойственна электропроводность, механическая прочность и химическая стабильность. Все эти свойства позволяют считать нанотрубки основой будущих элементов наноэлектроники.

Типичная структура одностенных углеродных нанотрубок (модель)

Важным для применения в электронике свойством НТ является то, что, согласно расчетам, электронные свойства, а также хиральность («скрученность» атомарной решетки) идеальной структуры НТ меняется при внедрении в однослойную нанотрубку в качестве дефекта пары пятиугольник–семиугольник. При рассмотрении структуры (8,0)/(7,1) расчеты показали, что трубка с хиральностью (8,0) – это полупроводник с шириной запрещенной зоны 1,2 эВ, а трубка с хиральностью (7,1) является полуметаллом с нулевой шириной запрещенной зоны. Это позволяет создавать на базе НТ электронные приборы (диоды, транзисторы, резисторы), подобные традиционным кремниевым.

НТ с разной хиральностью могут выступать как полупроводники, полуметаллы и пр.

Гетеропереходы полупроводник–полупроводник с различными значениями ширины запрещенной зоны могут быть получены таким же образом посредством внедрения дефекта. Поэтому нанотрубку с внедренным в нее дефектом можно рассматривать в качестве гетероперехода металл-полупроводник. На основе этого гетероперехода можно реализовать полупроводниковый элемент очень малых размеров, меньше нынешних кремниевых.

Создание новых типов миниатюрных элементов электронных схем на основе нанотрубок – не единственное применение в электронике. На их основе можно создать тончайший измерительный инструмент, который используется, чтобы контролировать неоднородности поверхностей таких схем (при помощи сканирующей зондовой микроскопии или СТМ). В одной из работ в данном направлении для исследования поверхности на нанометровом уровне в качестве зонда была использована многослойная нанотрубка. Использовать нанотрубки для этой цели позволяет их высокая механическая прочность. Это качество подтверждается результатами прямых измерений, согласно которым модуль Юнга в аксиальном направлении составляет порядка 7000 ГПа. В то же время сталь и иридий, которые обычно используются для изготовления таких зондов, имеют значение этого параметра в пределах 200 и 500 ГПа соответственно.

На основе нанотрубок собран самый экономичный переключатель

Исследователи из университета Иллинойса и университета Миннесоты в США представили прототип микроэлектронного логического устройства с рекордно низким уровнем энергопотребления. Использование углеродных нанотрубок в конструкции логического переключателя позволило довести необходимую для работы устройства мощность до нескольких десятых долей нВт. Подробности приведены в статье ученых для журнала Nano Letters.

Исследователи продемонстрировали небольшую интегральную, выполненную по КМОП-схеме, построив логический инвертор на двух транзисторах. Взяв изолирующую подложку из оксида кремния, ученые разместили на ней дорожки из золота и оксида алюминия, а затем поместили в промежутки между ними углеродные нанотрубки для создания транзисторных затворов. За исключением этих элементов весь остальной чип был изготовлен стандартными методами вроде послойного атомного осаждения, поэтому, как пишут авторы прототипа, речь идет не о совершенно новой элементной базе, а о расширении уже существующей технологии.

Измерения показали, что устройство в статичном режиме (то есть при нахождении в одном из двух состояний, «закрытом» или «открытом») потребляет около одной десятой доли нВт. Этот показатель подтвердился и при испытании более сложных логических устройств, сочетающих инвертор с логическими элементами «И» и «ИЛИ». В момент переключения, то есть на пике мощности, потребление энергии достигло десяти нВт. Чип с миллиардом таких элементов потратит около десяти ватт в предположении, что мощность тратится только на переключение логических элементов и не рассеивается за счет электрического сопротивления проводников. (Для сравнения, современные кремниевые процессоры с миллиардом транзисторов потребляют в активной работе от 10 до 100 Вт, в зависимости от рабочей частоты.)

По мнению исследователей, это позволяет говорить о практической реализуемости микроэлектроники с использованием нанотрубок, причем в рамках наиболее широко используемой схемотехники. КМОП-схемы получили широкое распространение в 90-е годы XX столетия и сейчас на их основе выполнена большая часть коммерческих устройств. Основными достоинствами КМОП является низкое энергопотребление и технологичность производства. Описанный в новой работе прототип позволяет еще больше снизить энергопотребление, сохранив при этом возможность массового производства.

Самый плотный массив из нанотрубок

Группа физиков из Кембриджского университета в Великобритании и лабораторий TASC в Италии вырастила на покрытой титаном медной подложке рекордно плотный «лес» из вертикально стоящих углеродных нанотрубок. Такие структуры, напоминающие плотные щетки, ученые предполагают использовать при производстве электродов, а также для изготовления радиаторов. Подробности со ссылкой на статью исследователей в журнале Applied Physics Letters приводит EurekAlert со ссылкой на материалы Американского физического института.

Ученые подчеркивают то, что нанотрубки, плотность которых достигает 1,6 грамм на кубический сантиметр, выращены при сравнительно низкой температуре - всего 450 С. Исследователи использовали медные пластины, которые покрыли слоем титана с небольшим добавлением кобальта и молибдена. Добавка этих двух элементов позволила ускорить рост углеродных нанотрубок без нагрева до высоких температур: с технологической точки зрения это приближает экспериментальную методику к промышленному производству микроэлектроники. Кроме того, особый интерес представляет выращивание именно на проводнике, а не на изоляторе, поскольку нанотрубки на поверхности металлов рассматриваются как перспективный материал для микроэлектронных устройств.

Авторы исследования считают, что со временем такие медные пластины, покрытые щеткой из нанотрубок, могут вытеснить обычные медные контакты. Кроме того, углеродные нанотрубки хорошо проводят тепло, поэтому материалы, подобные изготовленным в лаборатории физиков, могут найти применение при производстве радиаторов.

Плотность нанотрубок в чистом виде обычно не указывается, так как этот параметр очень сильно зависит от толщины стенок (бывают как одно-, так и многослойные нанотрубки) и соотношения длины и диаметра нанотрубок. Применение на практике нанотрубок пока что ограничено некоторыми композитными материалами, а также использованием их в роли игл для сканирующих атомно-силовых микроскопов, но сочетание высокой теплопроводности, прочности на разрыв и малой массы делают их перспективным материалом сразу в нескольких отраслях.

Термоустойчивый межфазный материал

Использование углеродных нанотрубок в качестве термоустойчивого межфазного материала, а также их применение в прозрачных проводниках считается наиболее перспективным. Хотя исследователи и специалисты считают, что имеется большое количество способов применения углеродных нанотрубок в электронике. Жаль, что реализовать эти технологии на практике пока что не всегда возможно.

Необходимость использования углеродных нанотрубок в электронике объясняется ростом цены на индий и снижением его запасов. Этот металл используется в теплоотводах центральных процессоров, графических процессоров и в (автомобильных) транзисторах большой мощности. Интересны также использования углеродных нанотрубок в качестве термоустойчивого межфазного материала для изготовления сверхъярких светодиодов. Углеродные нанотрубки по своим уникальным качествам превосходят и серебросодержащий клей, и другие соединения на основе металлов. Пленки из углеродных нанотрубок более прочны к механическим повреждениям чем пленки из индий-оловянного оксида, что является дополнительных преимуществом их применения.

Основным применением углеродных нанотрубок в электронике является создание полевых транзисторов с нижним затвором на основе отдельных однослойных углеродных нанотрубок (SWNT-FET). Высокая подвижность носителей зарядов в углеродных нанотрубках  делает возможными их широкое применение в высокочастотных транзисторах.

IBM изготовила транзистор на основе углеродных нанотрубок

Дальнейшие задачи по совершенствованию данной технологии включают контроль хиральности и диаметра, повышение выхода работающих устройств, повышение воспроизводимости контакта, обеспечение полупроводящих свойств углеродных НТ, улучшение однородности устройств, контроль за их позиционированием и разработку процесса, который может быть расширен до массового производства.

Несмотря на возможность достижения высоких рабочих частот, использование полевых транзисторов на основе углеродных НТ в обычных интегральных схемах остается маловероятным в ближайшем будущем. Действительно, потенциальные улучшения в характеристиках по сравнению с обычными полупроводниками не компенсируют необходимые огромные усилия на уровне используемых материалов для решения проблем селективного размещения и изменчивости НТ. С другой стороны, когда углеродные НТ сравнивают с органическими материалами в области гибкой электроники, преимущества первых по всем характеристикам огромны. Низкая подвижность носителей заряда в органических веществах (как правило, в диапазоне 10-3–10 см2/В·с) препятствует их использованию при высоких частотах.

Создание сенсоров

Использование углеродных НТ для сенсоров является одним из наиболее интересных их применений в электронике. И одностенные, и многостенные НТ (как модифицированные под конкретные применения, так и универсальные) были исследованы как отдельные объекты и как часть функциональных систем. В литературе представлено описание большого количества прототипов и способов создания газовых, электрохимических и биологических сенсоров и даже приборов, основанных на полевом эффекте, позволяющих детектировать экстремально малые концентрации NO2. Ультратонкие пленки из одностенных НТ на сегодняшний момент могут стать наиболее подходящей основой для электронных сенсоров с точки зрения широты шкалы и могут быть изготовлены на основе различных подходов, включая диэлектрофорез, прямое выращивание методом CVD и передачу через раствор, например, введение в полимерное покрытие.

Ученые из Технологического института Джорджии создали бумажный беспроводной сенсор на основе углеродных нанотрубок

Что касается применений углеродных нанотрубок в биотехнологической отрасли, то большинство сосредоточено в области биосенсоров, биочипов, контроля действия и адресной доставки лекарств. В ближайшие десять лет развитие биосенсоров и применения в них нанотехнологий позволит осуществлять проектирование и изготовление миниатюрных анализаторов для клинических применений, позволяющих анализировать несколько параметров, не заставляя больного вставать с постели, с использованием всего 3 мкл крови. Использование квантовых точек, самосборки, многофункциональных наночастиц, наношаблонов и работа на наноуровне, включая наноимпринтинг, будут оказывать наибольшее влияние на развитие более чувствительных и быстрых методов диагностики, что позволит улучшить точность адресной доставки лекарств. Высокопроизводительный анализ, проводимый с использованием нанотехнологий, позволит также уменьшить время, необходимое для вывода новой технологии доставки лекарств на рынок.

Создан первый компьютер на основе углеродных нанотрубок

Группе ученых из Стэнфордского университета удалось сделать крупный шаг на пути к применению углеродных НТ в электронике и вычислительной технике, шаг, который поможет вытеснить кремний с господствующих позиций в этих областях. Этим шагом стало создание первого функционирующего вычислительного устройства с процессором, все элементы которого изготовлены из углеродных НТ.

По сравнению с современными процессорами и компьютерами, новый компьютер выглядит совсем простым. Его процессор состоит из 178 транзисторов, в то время как кристаллы современных процессоров содержат миллиарды транзисторов. Новый процессор может обрабатывать один бит информации, современные же процессоры являются в большинстве 32- и 64-разрядными, а работает новый процессор на частоте в 1 КГц, что приблизительно в миллион раз меньше частоты работы процессоров современных смартфонов.

Схема компьютера на углеродных нанотрубках. Изображение: Max M. Shulaker et al., Nature, 2013

Однако, и электроника на кремниевых транзисторах проходила по такому пути развития, поэтому достижение стенфордских ученых является важной вехой на пути дальнейшего развития современной электроники, которая в будущем уйдет от использования кремния. «Впервые в истории науки и техники людям удалось создать работающий компьютер, основанный на технологии, отличной от традиционной КМОП-технологии», – рассказывает Нэреш Шэнбхэг (Naresh Shanbhag), ученый из университета Иллинойса, который вместе со стэндфордскими коллегами принимает участие в работе исследовательского консорциума SONIC.

Ученым пришлось преодолеть две ключевые проблемы. Углеродные НТ, которые являются основой нового процессора, могут быть выращены с помощью достаточно простого метода химического осаждения углерода из паровой фазы. Но в ходе такого процесса могут быть получены углеродные НТ, обладающие металлическими или полупроводниковыми свойствами. «Металлические» токопроводящие НТ являются нежелательными, поскольку они действуют как микропроводники, которые могут произвести короткие замыкания в электронной схеме.

Другим камнем преткновения является упорядочивание выращенных углеродных НТ. Используя специальные «шаблонные» подложки можно добиться роста параллельных НТ, выровненных в одном определенном направлении. Но, некоторая часть из них обязательно отклонится от общего направления и соединится с соседними НТ, замкнув их электрические цепи.

Первая проблем была решена учеными следующим образом. Через «лес» выращенных НТ был пропущен электрический ток достаточно сильной величины. Токопроводящие металлические углеродные НТ разогрелись, окислились и сгорели, превратившись в углекислый газ, а полупроводниковые НТ, через которые не проходил электрический ток, остались в целости и сохранности.

Вторая проблема была решена более сложным путем. Для создания микропроцессора была выращена заготовка из НТ, в несколько раз превышающая по размерам будущую электронную схему. Используя метод лазерной микрогравировки и микрорезки, управляемый с помощью сложного алгоритма, основанного на теории графов, исследователи просто «вырезали» дефектные участки заготовки, одновременно формируя структуру будущей электронной схемы.

В результате всех усилий у ученых получился микропроцессор, кардинально отличающийся от современных процессоров, как по структуре, организации, так и по принципам его работы. Транзисторы нового процессора обеспечивают его работу по принципам архаичной ныне PMOS-логики, в которой транзистор управляется подачей отрицательного напряжения на управляющий электрод, а его активным состоянием является закрытое состояние.

Но, такой микропроцессор способен выполнить все то, что можно ожидать от обычного процессора. Он может работать под управлением операционной системы и обеспечивать многозадачную среду. А в набор его команд входят все 20 основных команд из достаточно распространенного набора инструкций MIPS-архитектуры. Тем не менее, такой процессор на самом низком уровне способен выполнить одну единственную команду SUBNEG (вычитание и переход по указанному адресу, если результат вычитания отрицательный). Несмотря на это, имея в распоряжении достаточно большое количество памяти, из последовательности команд SUBNEG можно составить алгоритмы вычисления любой сложности.

Конечно, существует еще масса нерешенных вопросов. В своей работе стэндфордская команда использовала метод оптической литографии, обеспечивающий разрешающую способность в 1 мкм, что обусловило большие размеры транзисторов из углеродных нанотрубок, которых поместилось всего 5 экземпляров на одном квадратном микрометре площади.

Электронная цепь, построенная из нанотрубок (изображение с микроскопа)

Эта плотность должна быть увеличена в 100-200 раз и более для того, чтобы можно было увеличить скорость работы электронных схем и сделать весь процесс производства эффективным с экономической точки зрения. Еще одним вопросом, который предстоит решить ученым, является равномерность расположения транзисторов из углеродных нанотрубок, что позволит производить чипы, имеющие одинаковую структуру и характеристики.

Углеродные нанотрубки имеют множество уникальных полезных свойств, позволяющих эффективно использовать их в области электроники. Фундаментальные исследования будут продолжаться, по крайней мере, в ближайшее десятилетие.

Читайте также:
Углеродные транзисторы IBM перешагнули барьер производительности
ISSCC выдвигает на передний план электроники нанотрубки и беспроводные коммуникации
Нанотрубки против лазера: начинают и выигрывают
Нанотрубки стали основой нового типа солнечных батарей
Углеродные нанотрубки превратили паутину в сверхпрочные провода
Углеродные нанотрубки для энергоэффективных вычислений
Углеродные нанотрубки стали основой голограммы
Физики создали сверхпрочные нанопровода из углеродных нанотрубок
Углеродные транзисторы вырастили на нитях ДНК
Создан полностью углеродный фотоэлемент

Оцените материал:

Автор: RussianElectronics.ru



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты