Koppars dagar är räknade, och en ny studie vid Rensselaer Polytechnic Institute kan påskynda undergången av den allestädes närvarande metallen i smarta telefoner, surfplattor, och nästan all elektronik. Detta är goda nyheter för teknofiler som söker mindre, snabbare enheter.

När nya generationer datorchips fortsätter att krympa i storlek, det gör även kopparbanorna som transporterar elektricitet och information runt labyrinten av transistorer och komponenter. När dessa vägar – så kallade sammankopplingar – blir mindre, de blir mindre effektiva, förbrukar mer ström, och är mer benägna att permanent misslyckas.

För att övervinna detta hinder, industri och akademi forskar kraftfullt efter nya kandidater för att lyckas med traditionell koppar som det valda materialet för sammankopplingar på datorchips. En lovande kandidat är grafen, ett atomtjockt ark av kolatomer ordnade som ett nanoskala hönsnätsstängsel. Prisad av forskare för sina unika egenskaper, grafen är i huvudsak ett enda lager av grafit som vanligtvis finns i våra pennor eller kolet vi bränner på våra grillar.

Leds av Rensselaer Professor Saroj Nayak, ett team av forskare upptäckte att de kunde förbättra grafens förmåga att överföra elektricitet genom att stapla flera tunna grafenband ovanpå varandra. Studien, publiceras i tidskriften ACS Nano , för industrin närmare realiseringen av grafen nanoelektronik och utnämna grafen som arvtagaren till koppar.

"Grafen visar en enorm potential för användning i sammankopplingar, och att stapla upp grafen visar ett gångbart sätt att massproducera dessa strukturer, sa Nayak, professor vid institutionen för fysik, Tillämpad fysik, och astronomi vid Rensselaer. "Coopers begränsningar är uppenbara, eftersom allt mindre kopparkopplingar lider av tröga elektronflöden som resulterar i varmare, mindre pålitliga enheter. Vår nya studie gör ett argument för möjligheten att staplar av grafenband kan ha vad som krävs för att användas som sammankopplingar i integrerade kretsar."

Studien, baserat på storskaliga kvantsimuleringar, genomfördes med hjälp av Rensselaer Computational Center for Nanotechnology Innovations (CCNI), en av världens mest kraftfulla universitetsbaserade superdatorer.

Kopparkopplingar lider av en mängd oönskade problem, som blir mer framträdande när storleken på sammankopplingarna krymper. Elektroner går långsamt genom kopparnanotrådarna och genererar intensiv värme. Som ett resultat, elektronerna "drar" med sig kopparatomer. Dessa felplacerade atomer ökar koppartrådens elektriska motstånd, och försämra trådens förmåga att transportera elektroner. Detta innebär att färre elektroner kan passera genom kopparn framgångsrikt, och eventuella kvardröjande elektroner uttrycks som värme. Denna värme kan ha negativa effekter på både ett datorchips hastighet och prestanda.

Det är allmänt accepterat att en kvalitetsersättning för traditionell koppar måste upptäckas och fulländas under de kommande fem till 10 åren för att ytterligare vidmakthålla Moores lag – ett industrimantra som anger antalet transistorer på ett datorchip, och därmed chipets hastighet, bör fördubblas var 18:e till 24:e månad.

Nayaks senaste arbete, publicerad i tidskriften ACS Nano, har titeln "Effekten av lagerstapling på den elektroniska strukturen av grafenannorribbons." När de skärs i nanorband, Det är känt att grafen uppvisar ett bandgap - ett energigap mellan valens- och ledningsbanden - vilket är en oattraktiv egenskap för sammankopplingar. Den nya studien visar att stapling av grafen nanoband ovanpå varandra, dock, skulle kunna minska detta bandgap avsevärt. Studien kan ses online på:http://dx.doi.org/10.1021/nn200941u

"Den optimala tjockleken är en stapel med fyra till sex lager grafen, " sa Neerav Kharche, första författare till studien och en beräkningsforskare vid CCNI. "Att stapla fler lager utöver denna tjocklek minskar inte bandgapet ytterligare."

Slutdestinationen, Nayak sa, är att en dag tillverka mikroprocessorer – både sammankopplingarna och transistorerna – helt av grafen. Detta omvälvande mål, kallas monolitisk integration, skulle innebära slutet på den långa eran av kopparkopplingar och kiseltransistorer.

"Ett sådant framsteg ligger sannolikt fortfarande många år in i framtiden, men det kommer säkerligen att revolutionera hur nästan all dator och elektronik designas och tillverkas, sa Nayak.