Применение угеродных наноматериалов 1. Анализ технологического развития стран цивилизованного

• Название: Анализ технологического развития стран цивилизованного
• Дата: 17.11.2020
• Размер: 1.68 Mb.
• Имя файла: Применение угеродных наноматериалов 1.pptx
• Тип: Анализ; #151399

Анализ технологического развития стран цивилизованного мира свидетельствует, что на первом месте находятся технологии, связанные с информатикой и ее элементной базой – микро- и наноэлектроникой. То есть с теми приборами и устройствами, которые позволяют накапливать, передавать, обрабатывать и отображать информацию, и тем самым создавать новые условия жизни. Технология электроники относится, таким образом, к критическим технологиям, без которых страна, а значит и ее регионы, не может успешно развиваться, отстаивать национальные интересы и оборону и даже не может обеспечить работой своих граждан из-за неконкурентности производимых товаров.

Полиморфизм

• Углеродные нанотрубки
• Фуллерен С60
• Графен
• Карбин

• 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 кремниев
• 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.

Влияние дефекта семиугольник-пятиугольник на геометрию нанотрубки (а) и энергию подвижных электронов (б).

Транзистор на основе углеродной нанотрубки

.

in Applied Physics Letters, vol 73, p. 2447 (1998)

IBM создает 9-нм транзисторы на углеродных нанотрубках (2012 г.)

• Углеродные нанотрубки привлекают внимание исследователей не только своими механическими свойствами, но и возможностью применения в электронных устройствах. Недавно ученым IBM удалось создать транзистор размером 9 нм на основе цилиндрических углеродных структур.
• В этом году компания Intel планирует выпустить Ivy Bridge – 22-нм процессоры следующего поколения. Поскольку возможности кремния небезграничны, а токи утечки транзисторов растут по мере уменьшения геометрических размеров элементов, исследователи активно ищут замену кремнию. Новые прототипы 9-нм углеродных транзисторов IBM, которые потребляют намного меньше электроэнергии и проводят ток большей величины, чем кремниевые аналоги того же размера, могут в недалеком будущем стать хорошей альтернативой для применения в микропроцессорах и других кристаллах.

• К сожалению, технология создания транзисторов на основе углеродных нанотрубок пока не готова для внедрения в серийное производство. Ученые не разработали способа эффективного размещения большого массива таких транзисторов. Кроме того, создание нанотрубок, не содержащих металлических примесей, является непростой задачей.

Углеродные транзисторы IBM перешагнули барьер производительности (2013 г.)

• С 1970-х до 2000-х годов производительность транзисторов постоянно увеличивалась. Это делалось очень просто: транзисторы становились меньше и при той же плотности энергии требовали меньшее электрическое напряжение при большей производительности. Однако уменьшение транзисторов подошло к пределу, и уже около 10 лет производительность транзисторов практически не растет. Сегодня увеличить производительность процессоров можно лишь увеличением количества ядер, повышением напряжения, что, в свою очередь, вызывает проблемы высокого энергопотребления и перегрева.
• Однако, специалисты IBM заявляют, что перешагнуть этот технологический барьер можно с помощью новой технологии на основе углеродных нанотрубок.
• Современные транзисторы изготовлены по технологии металл-оксид-полупроводников (МОП) или по-другому кремниевых полевых транзисторов с изолированным затвором типа MOSFET. В последние несколько лет, ученые пытаются заменить МОП-транзисторы аналогами на основе углеродных нанотрубок – CNTFET.
• Транзисторы CNTFET, разработанные в IBM, демонстрируют высокую производительность при низком напряжении, причем они имеют размеры менее 10 нанометров в длину. Кремниевые высокопроизводительные МОП-транзисторы такого масштаба с помощью современных технологий сделать невозможно.

• CNTFET-транзистор с каналом из углеродной нанотрубки (CNT), которая проходит через канал в кремнии и контактирует с истоком и стоком (source/drain). Транзистор имеет затвор круговой геометрии, который защищает нанотрубки от влияния соседних устройств и паразитных зарядов
• В транзисторах CNTFET полупроводники очень тонкие, около 1 нм, что позволяет интегрировать их в самые крошечные устройства без потери электропроводимости. Также CNTFET-транзисторы могут работать при низких напряжениях, то есть они могут управлять интегральными схемами потребляя минимум электроэнергии. Обычные МОП-транзисторы этого достичь не могут, из-за чего, например, смартфоны потребляют слишком много энергии и не могут раскрыть весь потенциал мобильного устройства.
• К сожалению, в IBM до сих пор не решили основную проблему производства CNTFET-транзисторов. Она заключается в создании масштабируемых ворот, которые могут самостоятельно выравнивать исток и сток (контакты между которыми протекает ток). Также необходимо научиться массово изготавливать новые полупроводники p-типа и n-типа, необходимые для создания различных микросхем. Судя по всему, работа над решением этих задач продлится еще несколько лет.

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 нт в конструкции логического переключателя позволило довести необходимую для работы устройства мощность до нескольких десятых долей нВт. .
• Исследователи продемонстрировали небольшую интегральную схему 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.)

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.
• 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.

Создан первый компьютер на основе углеродных нанотрубок 2013

• 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.

Создан первый компьютер на основе углеродных нанотрубок

• 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.

Прозрачные и гибкие источники питания на базе углеродных плёнок

• Американские инженеры создали прозрачные и гибкие ионисторы, которые могут стать источниками питания для мобильных устройств следующего поколения.
• В основе нового устройства – тонкие углеродные пленки необычной формы. Они имеют глубоко текстурированную поверхность в форме так называемых «углеродных наночашек». Благодаря такой текстуре увеличивается поверхность соприкосновения между пленкой, которая выступает в роли электрода и «наполнителем» — полимерным электролитом

• Чтобы продемонстрировать работоспособность технологии для создания источников питания нового класса, авторы создали небольшой прототип. В приводимом видео инженеры используют его для питания светодиода, расположив устройство поверх экрана смартфона. Видно, что ионистор очень хорошо пропускает свет, хотя и не является совершенно прозрачным. Кроме того, авторы демонстрируют, что батарею можно сгибать и это никак не изменяет ее электрические показатели.
• Ионисторы (или суперконденсаторы) являются электрическими устройствами в некотором смысле промежуточными между классическими конденсаторами и химическими аккумуляторами. В качестве обкладок в ионисторах выступают слои ионов на границе электрода и электролита. Чем больше площадь этой границы, тем больше емкость устройства. К преимуществам ионисторов относятся высокая скорость зарядки и малая деградация даже после тысяч циклов работы.

К.Новоселов, А. Гейм (нобелевская премия по физике 2010 г.),

• Исследователи Манчестерского университета (University of Manchester), Института материаловедения (Institute of Materials Science) Мадрида и Университета Неймегена (University of Nijmegen) обнаружили, что обычное растягивание графена может превратить его в хороший полупроводник.
• Хотя графену выдано уже множество авансов как основе будущей электроники, камнем преткновения оставалось отсутствие разрыва в его энергетическом спектре. Этот зазор является характерной чертой кремния и других полупроводниковых материалов, используемых в полупроводниковой промышленности. Ученые уже могут создавать графеновые транзисторы и более компактными, и более быстрыми, чем устройства из других материалов, но они допускают утечку энергии даже в нерабочем состоянии. И это делает невозможным использование их в ИС с плотной компоновкой.

Графен, как известно, обладает гибкостью и может быть растянут на 20% без каких-либо последствий. Ученые утверждают, что если к его кристаллической решетке приложить внешние силы в направлении трех основных направлений, открывается полупроводниковый зазор, который достаточен для использования в электронике.

• Как известно, прогресс не стоит на месте. Недавно компании IBM удалось создать прототип процессора на базе графена, который может выполнять 100 миллиардов циклов в секунду, что соответствует частоте в 100ГГц. Это почти в 4 раза больше, чем у предыдущего экспериментального процессора такого типа.
• Инженеры компании сумели показать, что графеновые транзисторы могут быть созданы на плоскости путем нагревания пластинки из карбида кремния, что заставляет кремний испаряться с нее. Эта возможность проложит путь к созданию процессоров нового типа в коммерческих целях, сказал Ю-Минг Лин (Yu–Ming Lin), исследователь из IBM, который возглавлял работу.