一维材料为下一代电子器件带来强大的冲击力

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加利福尼亚大学河滨分校的工程师们展示了一种由异国情调的材料制成的原型装置,其电流密度比传统的铜互连技术大50倍。

电流密度是在给定的点上每截面积的电流量。随着集成电路中的晶体管越来越小,它们需要越来越高的电流密度以达到所需的水平。大多数传统的电导体,如铜,往往在高电流密度下由于过热或其他因素而断裂,从而产生了越来越小的部件的障碍。

电子工业需要硅和铜的替代品,硅和铜可以承受非常高的电流密度,只有几纳米的大小。

石墨烯的出现导致了大规模的、全世界的努力,致力于研究其他二维或二维层状材料,以满足需要维持高电流密度的纳米级电子元件的需要。虽然2D材料由单层原子组成,但是一维材料是由原子的各个原子链彼此弱结合而成的,但它们对电子学的潜力还没有被广泛研究。

人们可以认为2D材料是薄片面包,而1D材料就像意大利面条。与一维材料相比,2D材料看起来是巨大的。

由位于马里兰州的马兰和罗斯玛丽·伯恩斯工程学院的电气和计算机工程的杰出教授Alexander A. Balandin领导的一组研究人员发现,三氧化锆或ZrTe3纳米带具有非常高的电流密度TH。远超过铜等常规金属。

加州大学河滨分校的新战略推动了从二维到一维材料的研究——这是未来一代电子产品的一个重要进展。

传统金属是多晶的。它们具有晶界和表面粗糙度,它们散射电子,”Balandin说。“准一维材料如ZrTE3由单晶原子链组成。它们没有晶界,并且通常在剥落后具有原子光滑表面。我们认为ZrTe3中的电流密度非常高,是准一维材料的单晶性质。

原则上,这样的准一维材料可以直接生长成具有对应于单个原子线或链的横截面的纳米线。在本研究中,由ZrTe3量子线维持的电流水平高于任何金属或其他1D材料所报道的电流。它几乎达到了碳纳米管和石墨烯的电流密度。

电子设备依赖于特殊的布线,以便在电路或系统的不同部分之间传递信息。随着开发人员对设备的小型化,它们的内部部件也必须变小,而在部件之间传递信息的互连必须变得最小。取决于它们是如何配置的,ZrTe3纳米带可以被制成纳米级的局部互连或最微小器件的器件通道。

UC河滨小组的实验是用预先制作的材料片切割的纳米带进行的。工业应用需要在晶片上直接生长纳米带。这种制造工艺已经在发展中,Baldin认为一维纳米材料在未来的电子产品中具有应用的可能性。

Balandin说:“准一维材料最令人兴奋的是,它们可以真正合成到通道中,或者与一个原子线的最终小截面相交——大约1纳米一纳米。”

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