Det finns ett nytt sätt att designa datorchips och elektroniska kretsar för extrema miljöer:göra dem av diamant.

Ett team av elektriska ingenjörer vid Vanderbilt University har utvecklat alla grundläggande komponenter som behövs för att skapa mikroelektroniska enheter av tunna filmer av nanodiamant. De har skapat diamantversioner av transistorer och, senast, logiska portar, som är ett nyckelelement i datorer.

"Diamantbaserade enheter har potential att arbeta vid högre hastigheter och kräver mindre kraft än silikonbaserade enheter, "Forskarprofessor i elektroteknik Jimmy Davidson sa. "Diamant är det mest inerta materialet som är känt, så våra enheter är till stor del immuna mot strålningsskador och kan fungera vid mycket högre temperaturer än de som är gjorda av kisel."

Deras design av en logisk port beskrivs i numret av tidskriften den 4 augusti Elektronik bokstäver . Medförfattare till uppsatsen är doktoranden Nikkon Ghosh, Professor i elektroteknik Weng Poo Kang.

Inte en förlovningsring

Davidson var snabb med att påpeka att även om deras design använder diamantfilm, det är inte orimligt dyrt. Enheterna är så små att ungefär en miljard av dem kan tillverkas av en karat diamant. Filmerna är gjorda av väte och metan med en metod som kallas kemisk ångavsättning som används flitigt inom mikroelektronikindustrin för andra ändamål. Denna deponerade form av diamant är mindre än en tusendel av kostnaden för "smycken" diamant, vilket har gjort det tillräckligt billigt så att företag lägger diamantbeläggningar på verktyg, köksredskap och andra industriprodukter. Som ett resultat, kostnaden för att tillverka nanodiamantenheter bör vara konkurrenskraftiga med kisel.

Potentiella tillämpningar inkluderar militärelektronik, kretsar som fungerar i rymden, ultrahöghastighetsbrytare, applikationer och sensorer med ultralåg effekt som fungerar i miljöer med hög strålning, vid extremt höga temperaturer upp till 900 grader Fahrenheit och extremt låga temperaturer ner till minus 300 grader Fahrenheit.

Hybrid av gammalt och nytt

Nanodiamantkretsarna är en hybrid av gammaldags vakuumrör och modern solid-state mikroelektronik och kombinerar några av de bästa egenskaperna hos båda teknologierna.
Nanodiamantenheter består av en tunn film av nanodiamant som läggs på ett lager av kiseldioxid. Ungefär som de gör i vakuumrör, elektronerna rör sig genom vakuum mellan nanodiamantkomponenterna, istället för att flöda genom fast material som de gör i vanliga mikroelektroniska enheter. Som ett resultat, de kräver vakuumförpackning för att fungera.

"Anledningen till att din bärbara dator blir varm är för att elektronerna som pumpar genom dess transistorer stöter in i atomerna i halvledaren och värmer upp dem, "Sade Davidson. "Eftersom våra enheter använder elektrontransport i vakuum producerar de inte alls lika mycket värme."

Denna överföringseffektivitet är också en anledning till att de nya enheterna kan köras på mycket små mängder elektrisk ström. En annan är att diamant är den bästa elektronsändaren i världen så det krävs inte mycket energi för att producera starka elektronstrålar. "Vi tror att vi kan göra enheter som använder en tiondel av kraften från de mest effektiva silikonenheterna, sa Davidson.

Designen är också till stor del immun mot strålningsskador. Strålning stör transistorernas funktion genom att inducera oönskad laddning i kislet, orsakar en effekt som att bryta strömbrytaren i ditt hem. I nanodiamond-enheten, å andra sidan, elektronerna flyter genom vakuum så det finns inget för energiska partiklar att störa. Om partiklarna träffar nanodiamantanoden eller katoden, påverkan är begränsad till en liten fluktuation i elektronflödet, inte fullständig störning, som är fallet med silikonenheter.

"När jag läste om problemen vid Fukushima kraftverk efter den japanska tsunamin, Jag insåg att nanodiamantkretsar skulle vara perfekta för felsäkra kretsar i kärnreaktorer, "Davidson sa. "Det skulle inte påverkas av höga strålningsnivåer eller de höga temperaturer som skapas av explosionerna."

Nanodiamond-enheter kan tillverkas genom processer som halvledarindustrin använder för närvarande. Det enda undantaget är kravet att arbeta i vakuum, vilket skulle kräva viss modifiering i förpackningsprocessen. För närvarande, halvledarchips är förseglade i förpackningar fyllda med en inert gas som argon eller helt enkelt inkapslade i plast, skydda dem från kemisk nedbrytning. Davidson och hans kollegor har undersökt förpackningsprocessen och har funnit att de metalliska tätningarna som används i kretsar av militär kvalitet är tillräckligt starka för att hålla ett tillräckligt vakuum i århundraden.