Vooruitgang op het gebied van geïntegreerde schakelingen wordt gemeten door matching, overschrijden, of achterblijven bij het tarief dat is uiteengezet door Gordon Moore, voormalig CEO en mede-oprichter van Intel, wie zei het aantal elektronische componenten, of transistoren, per geïntegreerde schakeling zou elk jaar verdubbelen. Dat was meer dan 50 jaar geleden, en verrassend zijn voorspelling, nu de wet van Moore genoemd, kwam uit.

In recente jaren, men dacht dat het tempo was vertraagd; een van de grootste uitdagingen om meer circuits en stroom op een kleinere chip te plaatsen, is het beheren van warmte.

Een multidisciplinaire groep met onder meer Patrick E. Hopkins, een professor aan de afdeling Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van de Universiteit van Virginia, en Will Dichtel, een professor aan de afdeling Scheikunde van de Northwestern University, is een nieuwe klasse materiaal aan het uitvinden met het potentieel om chips koel te houden terwijl ze kleiner worden - en om ervoor te zorgen dat de wet van Moore waar blijft. Hun werk is onlangs gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Elektrische isolatiematerialen die elektrische overspraak in chips minimaliseren, worden "low-k" diëlektrica genoemd. Dit materiaaltype is de stille held die alle elektronica mogelijk maakt door de stroom te sturen om signaalerosie en interferentie te elimineren; ideaal, het kan ook schadelijke warmte, veroorzaakt door elektrische stroom, wegtrekken van het circuit. Het warmteprobleem wordt exponentieel naarmate de chip kleiner wordt, omdat er niet alleen meer transistors in een bepaald gebied zijn, die meer warmte produceert in datzelfde gebied, ze zijn dichter bij elkaar, waardoor de warmte moeilijker kan worden afgevoerd.

"Wetenschappers zijn op zoek geweest naar een low-k diëlektrisch materiaal dat de warmteoverdracht en ruimteproblemen die inherent zijn aan veel kleinere schaal aankan, "Zei Hopkins. "Hoewel we een lange weg hebben afgelegd, nieuwe doorbraken komen er alleen als we disciplines combineren. Voor dit project hebben we onderzoek en principes uit verschillende vakgebieden gebruikt:werktuigbouwkunde, scheikunde, materiaal kunde, elektrotechniek - om een ​​heel moeilijk probleem op te lossen dat niemand van ons alleen zou kunnen oplossen."

Hopkins is een van de leiders van het Multifunctional Materials Integration-initiatief van UVA Engineering, die onderzoekers uit meerdere technische disciplines samenbrengt om materialen met een breed scala aan functionaliteiten te formuleren.

"Het was niet alleen fascinerend om 'mijn' probleem door de lens van iemand anders in een ander veld te zien, het leidde ook tot ideeën die uiteindelijk vooruitgang brachten. Ik denk dat we allemaal die ervaring hadden, " zei Ashutosh Giri, een voormalig UVA Engineering senior wetenschapper en Ph.D. student in het laboratorium van Hopkins, de co-eerste auteur op de Natuurmaterialen papier en een mechanische, assistent-professor industriële en systeemtechniek aan de Rhode Island University.

"Het hart van het project was toen het chemische team de thermische functionaliteit van hun materiaal realiseerde, een nieuwe dimensie van hun werk begrijpen, en toen het team mechanica en materialen het niveau van moleculaire engineering begreep dat mogelijk is met chemie, ' zei Giri.

"We nemen vellen polymeer die slechts één atoom dik zijn - we noemen dit 2-D - en controleren hun eigenschappen door de vellen in een specifieke architectuur te plaatsen, ' zei Dichtel.

"Onze inspanningen om de methoden te verbeteren om hoogwaardige 2D-polymeerfilms te produceren, hebben dit samenwerkingswerk mogelijk gemaakt."

Het team past deze nieuwe materiaalklasse toe om te proberen te voldoen aan de vereisten van het miniaturiseren van transistors op een dichte chip, zei Dichtel.

"Dit heeft een enorm potentieel voor gebruik in de halfgeleiderindustrie, de industrie die chips maakt. Het materiaal heeft zowel een lage elektrische geleidbaarheid, of 'low-k, ' en een hoog warmteoverdrachtsvermogen, " hij zei.

Deze combinatie van eigenschappen is onlangs door de International Roadmap for Semiconductors geïdentificeerd als een voorwaarde voor geïntegreerde schakelingen van de volgende generatie.

"Voor dit project we richten ons op de thermische eigenschappen van deze nieuwe materiaalklasse, wat fantastisch is, maar nog spannender is dat we nog maar aan de oppervlakte krabben, " zei Austin Evans, een doctoraat student in Dichtel's lab bij Northwestern en eerste co-auteur van de Natuurmaterialen papier. "Het ontwikkelen van nieuwe klassen materialen met unieke combinaties van eigenschappen heeft een verbazingwekkend technologisch potentieel.

"We zijn deze nieuwe klasse materialen al aan het verkennen voor veel toepassingen, bijvoorbeeld, chemische waarneming. We kunnen deze materialen gebruiken om te bepalen - 'sense' - welke chemicaliën en hoeveel van die chemicaliën in de lucht zijn. Dit heeft verstrekkende gevolgen. Bijvoorbeeld, door te weten over de chemicaliën in de lucht, we kunnen de voedselopslag optimaliseren, vervoer, en distributie om de wereldwijde voedselverspilling te verminderen. Terwijl we verder zoeken, we zullen waarschijnlijk nog meer eigenschappen vinden die uniek zijn voor deze nieuwe materialen, ' zei Evans.