211service.com
Complexe geïntegreerde schakelingen gemaakt van koolstofnanobuisjes
De eerste driedimensionale circuits van koolstofnanobuisjes, gemaakt door onderzoekers van Stanford University, zouden een belangrijke stap kunnen zijn in het maken van nanobuiscomputers die sneller zouden kunnen zijn en minder stroom verbruiken dan de huidige siliciumchips. Zo'n computer is nog zeker 10 jaar verwijderd, maar het werk van Stanford laat zien dat het mogelijk is om gestapelde circuits te maken met koolstofnanobuisjes. Gestapelde circuits proppen meer verwerkingskracht in een bepaald gebied en voeren ook beter werk af bij het afvoeren van restwarmte.
Koolstofkring: Dit koolstof-nanobuis-circuit, dat een geheugenelement is, is een van de vele mogelijke ontwerpen die met nieuwe methoden kunnen worden gemaakt.
Een recent IBM-onderzoek toonde aan dat voor een bepaald totaal stroomverbruik een circuit gemaakt van koolstofnanobuisjes vijf keer sneller is dan een siliciumcircuit. We kunnen siliciumtransistors steeds kleiner maken, maar bij extreem kleine afmetingen leveren ze niet meer de gewenste prestaties, zegt Zhihong Chen, manager koolstoftechnologie bij de IBM Watson Research Center . We zijn op zoek naar alternatieve materialen die agressiever kunnen worden geschaald, maar toch de prestaties van het apparaat behouden.
Onderzoekers hebben veel succes gehad bij het maken van transistors met enkele nanobuis in het laboratorium, maar het opschalen ervan om complexe circuits te maken was moeilijk omdat het onmogelijk is om de kwaliteit van elke afzonderlijke nanobuis te controleren. De Stanford-circuitontwerpen, die vorige week werden gepresenteerd op de Internationale bijeenkomst over elektronische apparaten in Baltimore, maken het mogelijk om complexere nanobuiscircuits te maken, ondanks de beperkingen van het materiaal.
Wanneer we te maken hebben met een groot aantal componenten op nanoschaal, kunnen we niet eisen dat alles perfect is, zegt H.-S. Philip Wonga , hoogleraar elektrotechniek aan de Stanford. Wanneer de Stanford-onderzoekers arrays van nanobuisjes kweken om circuits te maken, krijgen ze een mix van halfgeleidende nanobuisjes en metalen nanobuisjes die kortsluiting zullen veroorzaken als ze niet worden geëlimineerd. Sommige nanobuisjes groeien in rechte lijnen, maar sommige zijn kronkelig en ook daar moet omheen worden gewerkt. Terwijl chemici werken aan methoden om rechte, zuivere nanobuisjes te kweken, is de vraag van de Stanford-onderzoekers, zegt Wong,: hoe kunnen we dat verminderen en ervoor zorgen dat het systeem nog steeds werkt?
Het antwoord is om rekening te houden met materiaalbeperkingen in de circuitontwerpen. We moeten een manier vinden om met de metalen nanobuisjes te bouwen zodat ze geen problemen veroorzaken, zegt Subhasish Mitra , hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen aan Stanford. De Stanford-groep maakt eerst wat Mitra een domme lay-out noemt. Met behulp van een stempel brengen onderzoekers een platliggende, uitgelijnde reeks koolstofnanobuisjes die op een kwartssubstraat zijn gegroeid, over naar een siliciumwafel. Vervolgens bedekken ze de nanobuisjes met metalen elektroden. Aan het oppervlak van de wafel, tussen het silicium en de nanobuisjes, bevindt zich een isolerende laag die als een achterpoortje fungeert, waardoor de onderzoekers de halfgeleidende nanobuisjes kunnen uitschakelen voordat ze de metalen elektroden gebruiken om de metalen nanobuisjes met een explosie van elektriciteit uit te branden . Er is een bovenste poort toegevoegd met een zodanig patroon dat deze niet wordt aangesloten op verkeerd uitgelijnde buizen. De circuits worden vervolgens geëtst om metalen elektroden te verwijderen die niet nodig zijn voor het uiteindelijke circuitontwerp.
Om een driedimensionaal circuit te maken, herhalen de onderzoekers eenvoudig de stempel- en elektrodegroeiprocedures om zoveel lagen te stapelen als nodig zijn voor het laatste etsproces. Het stempelproces van nanobuisjes, dat de Stanford-groep vorig jaar voor het eerst demonstreerde, is de sleutel tot het creëren van gestapelde lagen, omdat het kan worden gedaan bij lage temperaturen die de metalen elektrische contacten in de onderliggende lagen niet doen smelten.
Terwijl materiaalwetenschappers nog steeds bezig zijn met het kweken van batches koolstofnanobuisjes waarvan ze allemaal halfgeleidend zijn, werkt de Stanford-groep aan het probleem. In plaats van één buis tegelijk uit te branden, doen ze het op circuitniveau en ontwerpen vervolgens de circuits slim om de uitgebrande buizen te omzeilen, zegt Chen van IBM.
Ze hebben kleine, eenvoudige circuits gedemonstreerd, zoals wat halverwege de jaren zestig met silicium werd gedaan, zegt Shekhar Borkar , een Intel-fellow en directeur van het microprocessortechnologielab van het bedrijf. De Stanford-groep heeft bijvoorbeeld een eenvoudige rekenmachine gemaakt die getallen kan optellen en opslaan.
De Stanford-groep werkt momenteel aan het maken van steeds complexere geïntegreerde schakelingen. Wat de complexiteit betreft, is er in principe geen barrière op koolstofnanobuisjes, zegt Mitra. De materiële barrières blijven echter bestaan. De nanobuis-arrays van Stanford behoren tot de dichtste ooit gemaakt, met vijf tot tien nanobuisjes per micrometer, maar dit is niet genoeg. We hebben 100 nanobuisjes per micrometer nodig om echt goede prestaties te krijgen, zegt Wong.