Framsteg inom integrerade kretsar mäts genom matchning, överstiger, eller hamnar efter den ränta som anges av Gordon Moore, tidigare vd och grundare av Intel, som sa antalet elektroniska komponenter, eller transistorer, per integrerad krets skulle fördubblas varje år. Det var mer än 50 år sedan, och överraskande hans förutsägelse, nu kallad Moores lag, gick i uppfyllelse.

Under de senaste åren har man trodde att tempot hade saktat ner; en av de största utmaningarna med att sätta mer kretsar och ström på ett mindre chip är att hantera värme.

En tvärvetenskaplig grupp som inkluderar Patrick E. Hopkins, professor vid University of Virginia Department of Mechanical and Aerospace Engineering, och Will Dichtel, en professor vid Northwestern Universitys institution för kemi, uppfinner en ny klass av material med potential att hålla chipsen svala när de fortsätter att krympa i storlek - och för att hjälpa Moores lag att förbli sant. Deras arbete publicerades nyligen i Naturmaterial .

Elektriska isoleringsmaterial som minimerar elektrisk överhörning i chips kallas "low-k" dielektrik. Denna materialtyp är den tysta hjälten som gör all elektronik möjlig genom att styra strömmen för att eliminera signalerosion och störningar; helst, det kan också dra bort skadlig värme orsakad av elektrisk ström bort från kretsen. Värmeproblemet blir exponentiellt när chipet blir mindre eftersom det inte bara finns fler transistorer i ett visst område, vilket gör mer värme i samma område, de är närmare varandra, vilket gör det svårare för värmen att försvinna.

"Forskare har letat efter ett lågt k dielektriskt material som kan hantera värmeöverföring och rymdfrågor som är inneboende i mycket mindre skalor, "Sa Hopkins." Även om vi har kommit långt, nya genombrott kommer bara inte att hända om vi inte kombinerar discipliner. För detta projekt har vi använt forskning och principer från flera områden - maskinteknik, kemi, materialvetenskap, elektroteknik - för att lösa ett riktigt tufft problem som ingen av oss kunde klara av på egen hand. "

Hopkins är en av ledarna för UVA Engineering multifunktionella materialintegrationsinitiativ, som samlar forskare från flera tekniska discipliner för att formulera material med ett brett utbud av funktioner.

"Att se" mitt "problem genom någon annans lins på ett annat område var inte bara fascinerande, det väckte också idéer som i slutändan gav framsteg. Jag tror att vi alla hade den upplevelsen, "sa Ashutosh Giri, en tidigare UVA Engineering senior forskare och doktorand student i Hopkins lab, den första författaren på Naturmaterial papper och en mekanisk, industriell och systemteknisk biträdande professor vid Rhode Island University.

"Hjärtat i projektet var när det kemiska teamet insåg värmefunktionaliteten hos deras material, förstå en ny dimension om deras arbete, och när mekanik- och materialteamet förstod graden av molekylär teknik som är möjlig med kemi, "Sa Giri.

"Vi tar ark av polymer som bara är en atom tjocka-vi kallar detta 2-D-och styr deras egenskaper genom att lägga skikten i en specifik arkitektur, "Sa Dichtel.

"Våra ansträngningar för att förbättra metoderna för att producera högkvalitativa 2-D-polymerfilmer möjliggjorde detta samarbetsarbete."

Teamet tillämpar denna nya materialklass för att försöka uppfylla kraven för miniatyriserande transistorer på ett tätt chip, Sa Dichtel.

"Detta har en enorm potential för användning inom halvledarindustrin, industrin som tillverkar chips. Materialet har både låg elektrisk konduktivitet, eller 'låg-k, 'och hög värmeöverföringsförmåga, " han sa.

Denna kombination av fastigheter identifierades nyligen av International Roadmap for Semiconductors som en förutsättning för nästa generations integrerade kretsar.

"För detta projekt, vi fokuserar på de termiska egenskaperna hos denna nya materialklass, vilket är fantastiskt, men ännu mer spännande är att vi bara kliar på ytan, "sade Austin Evans, en doktorsexamen student i Dichtels lab på Northwestern och första medförfattare på Naturmaterial papper. "Att utveckla nya materialklasser med unika kombinationer av egenskaper har en fantastisk teknisk potential.

"Vi utforskar redan denna nya materialklass för många applikationer, till exempel, kemisk avkänning. Vi kan använda dessa material för att bestämma - 'förnuft' - vilka kemikalier och hur mycket av dessa kemikalier som finns i luften. Detta har vidsträckta konsekvenser. Till exempel, genom att veta om kemikalierna i luften, vi kan optimera matlagring, transport, och distribution för att minska det globala matsvinnet. När vi fortsätter att utforska, vi kommer sannolikt att hitta ännu fler egenskaper som är unika för dessa nya material, "Sa Evans.