(Phys.org) – Genom att använda en ny metod för att exakt kontrollera avsättningen av kol, forskare har visat en teknik för att ansluta flerväggiga kolnanorör till metallplattorna i integrerade kretsar utan den höga gränssnittsresistans som produceras av traditionella tillverkningstekniker.
Baserat på elektronstråleinducerad deposition (EBID), verket tros vara det första att ansluta flera skal av ett flerväggigt kolnanorör till metallterminaler på ett halvledande substrat, som är relevant för tillverkning av integrerade kretsar. Genom att använda denna tredimensionella tillverkningsteknik, forskare vid Georgia Institute of Technology utvecklade grafitiska nanofogar på båda ändarna av de flerväggiga kolnanorören, vilket gav en 10-faldig minskning av resistiviteten i dess anslutning till metallövergångar.
Tekniken skulle kunna underlätta integrationen av kolnanorör som sammankopplingar i nästa generations integrerade kretsar som använder både kisel- och kolkomponenter. Forskningen stöddes av Semiconductor Research Corporation, och i dess tidiga skeden, av National Science Foundation. Arbetet rapporterades online den 4 oktober, 2012, av tidskriften IEEE Transactions on Nanotechnology.
"För första gången, vi har etablerat kopplingar till flera skal av kolnanorör med en teknik som är mottaglig för integrering med konventionella integrerade kretsmikrotillverkningsprocesser, sa Andrej Fedorov, en professor vid George W. Woodruff School of Mechanical Engineering vid Georgia Tech. "Att ansluta till flera skal tillåter oss att dramatiskt minska motståndet och gå till nästa nivå av enhetsprestanda."
Vid utvecklingen av den nya tekniken, forskarna förlitade sig på modellering för att vägleda deras processparametrar. För att göra det skalbart för tillverkning, de arbetade också mot teknologier för att isolera och rikta in enskilda kolnanorör mellan metallterminalerna på ett kiselsubstrat, och för att undersöka egenskaperna hos de resulterande strukturerna. Forskarna tror att tekniken också kan användas för att ansluta flerskiktsgrafen till metallkontakter, även om deras publicerade forskning hittills har fokuserat på kolnanorör.
EBID-processen vid låg temperatur äger rum i ett svepelektronmikroskopsystem (SEM) modifierat för materialavsättning. SEM:s vakuumkammare ändras för att introducera prekursorer till de material som forskare skulle vilja deponera. Elektronkanonen som normalt används för avbildning av nanostrukturer används istället för att generera sekundära elektroner med låg energi när de högenergiprimära elektronerna träffar substratet på noggrant utvalda platser. När de sekundära elektronerna interagerar med kolväteprekursormolekyler som införs i SEM-kammaren, kol avsätts på önskade platser.
Unikt för EBID-processen, det avsatta kolet gör en stark, kemiskt bunden anslutning till ändarna av kolnanorören, till skillnad från det svagt kopplade fysiska gränssnittet tillverkat i traditionella tekniker baserade på metallavdunstning. Före deponering, ändarna på nanorören öppnas med hjälp av en etsningsprocess, så det avsatta kolet växer in i den öppna änden av nanoröret för att elektroniskt ansluta flera skal. Termisk glödgning av kolet efter avsättning omvandlar det till en kristallin grafitisk form som avsevärt förbättrar den elektriska ledningsförmågan.
"Atom för atom, vi kan bygga anslutningen där elektronstrålen träffar precis nära den öppna änden av kolnanorören, " förklarade Fedorov. "Den högsta avsättningshastigheten inträffar där koncentrationen av prekursor är hög och det finns många sekundära elektroner. Detta ger ett skulpturverktyg i nanoskala med tredimensionell kontroll för att ansluta de öppna ändarna av kolnanorör på vilket substrat som helst."
Flerväggiga kolnanorör erbjuder löftet om högre informationsgenomströmning för vissa sammankopplingar som används i elektroniska enheter. Forskare har föreställt sig en framtida generation av hybridenheter baserade på traditionella integrerade kretsar men med sammankopplingar baserade på kolnanorör.
Tills nu, dock, motståndet vid anslutningarna mellan kolstrukturerna och konventionell kiselelektronik har varit för högt för att göra enheterna praktiska.
"Den stora utmaningen inom detta område är att göra en koppling inte bara till ett enda skal av ett kolnanorör, " sa Fedorov. "Om bara den yttre väggen av ett kolnanorör är ansluten, du vinner verkligen inte mycket eftersom det mesta av överföringskanalen är underutnyttjad eller inte utnyttjas alls."
Tekniken som utvecklats av Fedorov och hans medarbetare ger rekordlåg resistivitet vid anslutningen mellan kolnanoröret och metallkudden. Forskarna har mätt resistans så lågt som cirka 100 Ohm – en faktor tio lägre än det bästa som hade uppmätts med andra anslutningstekniker.
"Denna teknik ger oss många nya möjligheter att gå vidare med att integrera dessa kolnanostrukturer i konventionella enheter, " sa han. "Eftersom det är kol, det här gränssnittet har en fördel eftersom dess egenskaper liknar egenskaperna hos de kolnanorör som de ger en anslutning till."
Forskarna vet inte exakt hur många av kolnanorörsskalen som är anslutna, men baserat på motståndsmätningar, de tror att minst 10 av de cirka 30 ledande skalen bidrar till elektrisk ledning.
Dock, hantering av kolnanorör utgör en betydande utmaning för deras användning som sammankopplingar. När den bildas genom den elektriska ljusbågstekniken, till exempel, kolnanorör produceras som en härva av strukturer med olika längder och egenskaper, några med mekaniska defekter. Tekniker har utvecklats för att separera enstaka nanorör, och att öppna deras ändar.
Fedorov och hans medarbetare – nuvarande och tidigare doktorander Songkil Kim, Dhaval Kulkarni, Konrad Rykaczewski och Mathias Henry, tillsammans med Georgia Tech professor Vladimir Tsukruk – utvecklat en metod för att rikta in de flerväggiga nanorören över elektroniska kontakter med hjälp av fokuserade elektriska fält i kombination med en substratmall skapad genom elektronstrålelitografi. Processen har ett avsevärt förbättrat utbyte av korrekt inriktade kolnanorör, med potential för skalbarhet över ett stort chipområde.
När nanorören väl har placerats i sina positioner, kolet deponeras med hjälp av EBID-processen, följt av grafitisering. Fasomvandlingen i kolgränssnittet övervakas med Raman-spektroskopi för att säkerställa att materialet omvandlas till sitt optimala nanokristallina grafittillstånd.
"Endast genom att göra framsteg inom vart och ett av dessa områden kan vi uppnå detta tekniska framsteg, som är en möjliggörande teknologi för nanoelektronik baserad på kolmaterial, ", sa han. "Detta är verkligen ett kritiskt steg för att göra många olika typer av enheter med kolnanorör eller grafen."
Innan den nya tekniken kan användas i stor skala, Forskare måste förbättra sin teknik för att anpassa kolnanorör och utveckla EBID-system som kan deponera kontakter på flera enheter samtidigt. Framsteg i parallella elektronstrålesystem kan ge ett sätt att massproducera anslutningarna, sa Fedorov.
"En stor mängd arbete återstår att göra på detta område, men vi tror att detta är möjligt om industrin blir intresserad, ", noterade han. "Det finns applikationer där det kan vara mycket attraktivt att integrera kolnanorör i kretsar."
