Metaaldraden van koolstof complete gereedschapskist voor op koolstof gebaseerde computers

Transistors op basis van koolstof in plaats van silicium zouden mogelijk de snelheid van computers kunnen verhogen en hun stroomverbruik meer dan duizendvoudig kunnen verminderen – denk aan een mobiele telefoon die maandenlang zijn lading behoudt – maar de set hulpmiddelen die nodig is om werkende koolstofcircuits te bouwen, is onvolledig tot nu.

Een team van scheikundigen en natuurkundigen aan de University of California, Berkeley, heeft eindelijk het laatste stuk gereedschap in de gereedschapskist gemaakt, een metalen draad die volledig van koolstof is gemaakt, en daarmee de weg geëffend voor een toename van het onderzoek om op koolstof gebaseerde transistors te bouwen en, uiteindelijk computers.

“Binnen hetzelfde materiaal blijven, binnen het rijk van op koolstof gebaseerde materialen, is wat deze technologie nu samenbrengt”, zegt Felix Fischer, UC Berkeley hoogleraar scheikunde, erop wijzend dat de mogelijkheid om alle circuitelementen van hetzelfde materiaal te maken fabricage maakt gemakkelijker. “Dat was een van de belangrijkste dingen die ontbraken in het grote geheel van een volledig op koolstof gebaseerde architectuur van geïntegreerde schakelingen.”

Metaaldraden – zoals de metalen kanalen die worden gebruikt om transistors in een computerchip met elkaar te verbinden – vervoeren elektriciteit van apparaat naar apparaat en verbinden de halfgeleidende elementen in transistors, de bouwstenen van computers, met elkaar.

De UC Berkeley-groep werkt al enkele jaren aan het maken van halfgeleiders en isolatoren van grafeen-nanoribbons, dit zijn smalle, eendimensionale stroken van atoomdik grafeen, een structuur die volledig bestaat uit koolstofatomen gerangschikt in een onderling verbonden zeshoekig patroon dat lijkt op kip. draad.

Het nieuwe op koolstof gebaseerde metaal is ook een grafeen nanoribbon, maar ontworpen met het oog op het geleiden van elektronen tussen halfgeleidende nanoribbons in volledig koolstoftransistors. De metalen nanoribbons werden gebouwd door ze samen te stellen uit kleinere identieke bouwstenen: een bottom-up benadering, zei Fischer’s collega, Michael Crommie, een UC Berkeley professor in de natuurkunde. Elke bouwsteen draagt ​​een elektron bij dat vrij langs de nanoribbon kan stromen.

Hoewel andere op koolstof gebaseerde materialen – zoals verlengde 2D-vellen grafeen en koolstofnanobuisjes – van metaal kunnen zijn, hebben ze hun problemen. Door bijvoorbeeld een 2D-plaat grafeen om te vormen tot stroken op nanometerschaal, worden ze spontaan omgezet in halfgeleiders of zelfs isolatoren. Koolstofnanobuisjes, die uitstekende geleiders zijn, kunnen niet in grote hoeveelheden met dezelfde precisie en reproduceerbaarheid worden vervaardigd als nanoribbons.

“Nanoribbons stellen ons in staat om chemisch toegang te krijgen tot een breed scala aan structuren met behulp van bottom-up fabricage, iets wat nog niet mogelijk is met nanobuisjes,” zei Crommie. “Hierdoor hebben we in feite elektronen aan elkaar kunnen hechten om een ​​metalen nanoribbon te maken, iets wat nog niet eerder is gedaan. Dit is een van de grote uitdagingen op het gebied van grafeen nanoribbontechnologie en waarom we er zo enthousiast over zijn.”

Metallische grafeen nanoribbons – die een brede, gedeeltelijk gevulde elektronische band hebben die kenmerkend is voor metalen – zouden qua geleidbaarheid vergelijkbaar moeten zijn met 2D grafeen zelf.

“We denken dat de metaaldraden echt een doorbraak zijn; het is de eerste keer dat we opzettelijk een ultradunne metalen geleider – een goede, intrinsieke geleider – kunnen maken uit materialen op koolstofbasis, zonder de noodzaak van externe doping,” Fischer toegevoegd.

Crommie, Fischer en hun collega’s van UC Berkeley en Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) zullen hun bevindingen publiceren in het nummer van 25 september van het tijdschrift. Wetenschap.

De topologie aanpassen

Op silicium gebaseerde geïntegreerde schakelingen hebben computers decennialang van stroom voorzien met steeds hogere snelheden en prestaties, volgens de wet van Moore, maar ze bereiken hun snelheidslimiet – dat wil zeggen, hoe snel ze kunnen schakelen tussen nullen en enen. Het wordt ook moeilijker om het stroomverbruik te verminderen; computers gebruiken al een substantieel deel van de energieproductie in de wereld. Op koolstof gebaseerde computers kunnen mogelijk vele malen sneller schakelen dan siliciumcomputers en slechts fracties van het vermogen gebruiken, zei Fischer.

Grafeen, dat pure koolstof is, is een toonaangevende kanshebber voor deze op koolstof gebaseerde computers van de volgende generatie. Smalle stroken grafeen zijn echter in de eerste plaats halfgeleiders en de uitdaging was om ze ook te laten werken als isolatoren en metalen – tegengestelde extremen, respectievelijk totaal niet-geleidend en volledig geleidend – om zo transistors en processors volledig uit koolstof te construeren.

Enkele jaren geleden werkten Fischer en Crommie samen met de theoretische materiaalwetenschapper Steven Louie, een professor in de natuurkunde van UC Berkeley, om nieuwe manieren te ontdekken om kleine stukjes nanoribbon met elkaar te verbinden om op betrouwbare wijze het volledige scala aan geleidende eigenschappen te creëren.

Twee jaar geleden demonstreerde het team dat door korte segmenten nanoribbon op de juiste manier met elkaar te verbinden, elektronen in elk segment kunnen worden gerangschikt om een ​​nieuwe topologische toestand te creëren – een speciale kwantumgolffunctie – die leidt tot afstembare halfgeleidende eigenschappen.

In het nieuwe werk gebruiken ze een vergelijkbare techniek om korte segmenten nanoribbons aan elkaar te naaien tot een geleidende metaaldraad van tientallen nanometers lang en nauwelijks een nanometer breed.

De nanoribbons zijn chemisch gemaakt en op zeer vlakke oppervlakken afgebeeld met behulp van een scanning tunneling microscoop. Eenvoudige warmte werd gebruikt om de moleculen ertoe te brengen chemisch te reageren en op de juiste manier samen te voegen. Fischer vergelijkt de assemblage van bouwstenen die in serie zijn geschakeld met een set lego’s, maar lego’s die zijn ontworpen om op atomaire schaal te passen.

“Ze zijn allemaal precies zo ontworpen dat er maar één manier is waarop ze in elkaar passen. Het is alsof je een zak Lego pakt en die schudt, en er komt een volledig gemonteerde auto uit,” zei hij. “Dat is de magie van het beheersen van de zelfassemblage met chemie.”

Eenmaal geassembleerd, was de elektronische toestand van de nieuwe nanoribbon een metaal – zoals Louie had voorspeld – waarbij elk segment een enkel geleidend elektron bijdroeg.

De uiteindelijke doorbraak kan worden toegeschreven aan een minieme verandering in de nanoribbon-structuur.

“Met behulp van chemie hebben we een kleine verandering gecreëerd, een verandering in slechts één chemische binding per ongeveer elke 100 atomen, maar die de metalliciteit van de nanoribbon met een factor 20 heeft verhoogd, en dat is vanuit praktisch oogpunt belangrijk om maak dit een goed metaal, ‘zei Crommie.

De twee onderzoekers werken samen met elektrotechnici van UC Berkeley om hun gereedschapskist van halfgeleidende, isolerende en metallische grafeen nanoribbons samen te stellen tot werkende transistors.

“Ik geloof dat deze technologie een revolutie teweeg zal brengen in de manier waarop we in de toekomst geïntegreerde schakelingen bouwen”, zei Fischer. “Het zou ons een grote stap moeten kosten ten opzichte van de beste prestaties die momenteel van silicium kunnen worden verwacht. We hebben nu een pad om toegang te krijgen tot snellere schakelsnelheden bij een veel lager energieverbruik. Dat is wat de drijfveer is naar een koolstofgebaseerde elektronica halfgeleiderindustrie in de toekomst. ”