Группа химиков и физиков из Калифорнийского университета в Беркли, наконец, создала последний инструмент в арсенале инструментов – металлическую проволоку, полностью сделанную из углерода, что подготовило почву для активизации исследований по созданию транзисторов на основе углерода и, в конечном итоге компьютеры.
«Сохранение в пределах одного материала, в пределах области материалов на основе углерода, – вот что объединяет эту технологию сейчас», – сказал Феликс Фишер, профессор химии Калифорнийского университета в Беркли, отметив, что возможность изготавливать все элементы схемы из одного и того же материала делает производство Полегче. «Это было одним из ключевых моментов, которых не хватало в общей картине архитектуры интегральных схем, полностью основанной на углероде."
Металлические провода – как металлические каналы, используемые для соединения транзисторов в компьютерной микросхеме – переносят электричество от устройства к устройству и соединяют полупроводниковые элементы внутри транзисторов, строительных блоков компьютеров.
Группа Калифорнийского университета в Беркли в течение нескольких лет работала над тем, как сделать полупроводники и изоляторы из графеновых нанолент, которые представляют собой узкие одномерные полоски графена толщиной в атом, структуру, полностью состоящую из атомов углерода, расположенных в гексагональном соединении, напоминающем курицу. провод.
Новый металл на основе углерода также представляет собой графеновую наноленту, но разработан с учетом того, что электроны проводят между полупроводниковыми нанолентами в полностью углеродных транзисторах. Металлические наноленты были созданы путем сборки их из более мелких одинаковых строительных блоков: восходящий подход, сказал коллега Фишера Майкл Кромми, профессор физики Калифорнийского университета в Беркли. Каждый строительный блок вносит свой вклад в электрон, который может свободно течь по наноленте.
В то время как другие материалы на основе углерода, такие как протяженные двумерные листы графена и углеродные нанотрубки, могут быть металлическими, у них есть свои проблемы. Например, преобразование двумерного листа графена в полосы нанометрового размера спонтанно превращает их в полупроводники или даже изоляторы.
Углеродные нанотрубки, которые являются отличными проводниками, не могут быть получены с такой же точностью и воспроизводимостью в больших количествах, как наноленты.
«Наноленты позволяют нам получать химический доступ к широкому спектру структур, используя восходящее производство, что еще невозможно с нанотрубками», – сказал Кромми. "Это позволило нам сшить электроны вместе, чтобы создать металлическую наноленту, чего раньше не делали. Это одна из серьезных проблем в области технологии графеновых нанолент, и поэтому мы так взволнованы этим."
Наноленты из металлического графена, которые имеют широкую, частично заполненную электронную полосу, характерную для металлов, должны быть сопоставимы по проводимости с самим 2D-графеном.
«Мы думаем, что металлические провода – это настоящий прорыв; впервые мы можем намеренно создать ультратонкий металлический проводник – хороший внутренний проводник – из углеродных материалов без необходимости внешнего легирования. ", – добавил Фишер.
Кромми, Фишер и их коллеги из Калифорнийского университета в Беркли и Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (Лаборатория Беркли) опубликуют свои выводы в сентябре. 25 номер журнала Science.
Настройка топологии
Интегральные схемы на основе кремния приводили в действие компьютеры в течение десятилетий со все возрастающей скоростью и производительностью в соответствии с законом Мура, но они достигают своего предела скорости, то есть того, насколько быстро они могут переключаться между нулями и единицами. Также становится все труднее снизить энергопотребление; компьютеры уже используют значительную часть мирового производства энергии.
По словам Фишера, компьютеры на основе углерода потенциально могут переключаться во много раз быстрее, чем кремниевые компьютеры, и потреблять лишь доли энергии.
Графен, представляющий собой чистый углерод, является ведущим претендентом на создание компьютеров следующего поколения на основе углерода. Однако узкие полоски графена в основном являются полупроводниками, и задача заключалась в том, чтобы заставить их работать как изоляторы и металлы – противоположные крайности, полностью непроводящие и полностью проводящие, соответственно – чтобы построить транзисторы и процессоры полностью из углерода.
Несколько лет назад Фишер и Кромми объединились с ученым-теоретиком материаловедом Стивеном Луи, профессором физики Калифорнийского университета в Беркли, чтобы открыть новые способы соединения небольших отрезков наноленты для надежного создания всего спектра проводящих свойств.
Два года назад команда продемонстрировала, что, правильно соединив короткие сегменты наноленты, электроны в каждом сегменте можно расположить так, чтобы создать новое топологическое состояние – особую квантовую волновую функцию – что приведет к настраиваемым свойствам полупроводников.
В новой работе они используют аналогичную технику, чтобы сшить вместе короткие сегменты нанолент, чтобы создать проводящий металлический провод длиной в десятки нанометров и шириной всего лишь в один нанометр.
Наноленты были созданы химическим способом и отображены на очень плоских поверхностях с помощью сканирующего туннельного микроскопа.
Простое тепло было использовано для того, чтобы молекулы вступили в химическую реакцию и соединились вместе правильным образом. Фишер сравнивает сборку из гирляндных строительных блоков с набором конструкторов Лего, но конструкторы Лего предназначены для использования в атомных масштабах.
"Все они точно спроектированы так, что могут сочетаться друг с другом только одним способом. Это как если бы вы взяли пакет с Lego, встряхнули его, и вылезет полностью собранный автомобиль », – сказал он. "Это волшебство управления самосборкой с помощью химии."
После сборки новая нанолента находилась в электронном состоянии, как и предсказывал Луи, и каждый сегмент вносил свой вклад в один проводящий электрон.
Окончательный прорыв можно объяснить мельчайшим изменением структуры наноленты.
«Используя химию, мы создали крошечное изменение, изменение только одной химической связи на каждые 100 атомов, но которое увеличило металличность наноленты в 20 раз, и это важно с практической точки зрения, чтобы сделай из этого хороший металл ", – сказал Кромми.
Два исследователя работают с инженерами-электриками из Калифорнийского университета в Беркли, чтобы собрать свой набор инструментов из полупроводниковых, изолирующих и металлических нанолент графена в рабочие транзисторы.
«Я верю, что эта технология революционизирует то, как мы строим интегральные схемы в будущем», – сказал Фишер. "Это должно сделать нам большой шаг вперед по сравнению с лучшей производительностью, которую можно ожидать от кремния прямо сейчас.
Теперь у нас есть возможность получить доступ к более высокой скорости переключения при гораздо более низком энергопотреблении. Это то, что в будущем будет толчком к развитию индустрии электронных полупроводников на основе углерода."
Соавторами статьи являются Даниэль Риццо и Цзинвэй Цзян из физического факультета Калифорнийского университета в Беркли и Грегори Вебер из химического факультета. Другими соавторами являются Стивен Луи, Райан МакКарди, Тинг Цао, Кристофер Броннер и Тинг Чен из Калифорнийского университета в Беркли.
Цзян, Цао, Луи, Фишер и Кромми связаны с лабораторией Беркли, в то время как Фишер и Кромми являются членами Института нано-наук Kavli Energy.
Исследование было поддержано Управлением военно-морских исследований, Министерством энергетики, Центром науки об энергоэффективной электронике и Национальным научным фондом.