Er is een nieuwe manier om computerchips en elektronische schakelingen te ontwerpen voor extreme omgevingen:maak ze van diamant.

Een team van elektrotechnici aan de Vanderbilt University heeft alle basiscomponenten ontwikkeld die nodig zijn om micro-elektronische apparaten te maken uit dunne films van nanodiamant. Ze hebben diamantversies van transistors gemaakt en, meest recent, logische poorten, die een sleutelelement zijn in computers.

"Diamond-gebaseerde apparaten hebben het potentieel om met hogere snelheden te werken en hebben minder stroom nodig dan op silicium gebaseerde apparaten, "Onderzoekshoogleraar Elektrotechniek Jimmy Davidson zei. "Diamant is het meest inerte materiaal dat bekend is, dus onze apparaten zijn grotendeels immuun voor stralingsschade en kunnen werken bij veel hogere temperaturen dan die gemaakt van silicium."

Hun ontwerp van een logische poort wordt beschreven in het nummer van 4 augustus van het tijdschrift Elektronica Brieven . Co-auteurs van het artikel zijn afgestudeerde student Nikkon Ghosh, Hoogleraar Elektrotechniek Weng Poo Kang.

Geen verlovingsring

Davidson wees er snel op dat, hoewel hun ontwerp gebruik maakt van diamantfilm, het is niet exorbitant duur. De apparaten zijn zo klein dat er ongeveer een miljard van kunnen worden vervaardigd uit één karaat diamant. De films zijn gemaakt van waterstof en methaan met behulp van een methode die chemische dampafzetting wordt genoemd en die veel wordt gebruikt in de micro-elektronica-industrie voor andere doeleinden. Deze gedeponeerde vorm van diamant is minder dan een duizendste van de kosten van "juwelen" diamant, waardoor het zo goedkoop is geworden dat bedrijven diamantcoatings op gereedschappen aanbrengen, kookgerei en andere industriële producten. Als resultaat, de kosten van het produceren van nanodiamant-apparaten moeten concurrerend zijn met silicium.

Mogelijke toepassingen zijn onder meer militaire elektronica, circuits die in de ruimte werken, ultrahoge snelheidsschakelaars, toepassingen met ultralaag vermogen en sensoren die werken in omgevingen met veel straling, bij extreem hoge temperaturen tot 900 graden Fahrenheit en extreem lage temperaturen tot minus 300 graden Fahrenheit.

Hybride van oud en nieuw

De nanodiamantcircuits zijn een hybride van ouderwetse vacuümbuizen en moderne solid-state micro-elektronica en combineren enkele van de beste eigenschappen van beide technologieën.
Nanodiamond-apparaten bestaan ​​uit een dunne film van nanodiamant die op een laag siliciumdioxide wordt gelegd. Net zoals ze doen in vacuümbuizen, de elektronen bewegen door vacuüm tussen de nanodiamantcomponenten, in plaats van door vast materiaal te stromen zoals bij normale micro-elektronische apparaten. Als resultaat, ze hebben vacuümverpakking nodig om te kunnen werken.

"De reden dat je laptop heet wordt, is omdat de elektronen die door de transistors pompen, tegen de atomen in de halfgeleider botsen en ze opwarmen, " Davidson zei. "Omdat onze apparaten elektronentransport in vacuüm gebruiken, produceren ze lang niet zoveel warmte."

Deze transmissie-efficiëntie is ook een reden waarom de nieuwe apparaten op zeer kleine hoeveelheden elektrische stroom kunnen werken. Een andere is dat diamant de beste elektronenzender ter wereld is, dus het kost niet veel energie om sterke elektronenstralen te produceren. "We denken dat we apparaten kunnen maken die een tiende van de stroom verbruiken van de meest efficiënte siliciumapparaten, " zei Davidson.

Het ontwerp is ook grotendeels immuun voor stralingsschade. Straling verstoort de werking van transistoren door ongewenste lading in het silicium te induceren, waardoor een effect ontstaat zoals het uitschakelen van de stroomonderbreker in uw huis. In het nanodiamant-apparaat, anderzijds, de elektronen stromen door vacuüm, dus er is niets dat energetische deeltjes kunnen verstoren. Als de deeltjes de nanodiamantanode of -kathode raken, de impact is beperkt tot een kleine fluctuatie in de elektronenstroom, geen volledige verstoring, zoals het geval is met siliconen apparaten.

"Toen ik las over de problemen in de kerncentrale van Fukushima na de Japanse tsunami, Ik realiseerde me dat nanodiamantcircuits perfect zouden zijn voor failsafe circuits in kernreactoren. " Davidson zei. "Het zou niet worden beïnvloed door hoge stralingsniveaus of de hoge temperaturen die door de explosies worden veroorzaakt."

Nanodiamond-apparaten kunnen worden vervaardigd met processen die de halfgeleiderindustrie momenteel gebruikt. De enige uitzondering is de eis om in vacuüm te werken, wat enige aanpassing in het verpakkingsproces zou vereisen. Momenteel, halfgeleiderchips zijn verzegeld in verpakkingen gevuld met een inert gas zoals argon of gewoon ingekapseld in plastic, beschermen tegen chemische degradatie. Davidson en zijn collega's hebben het verpakkingsproces onderzocht en hebben ontdekt dat de metalen afdichtingen die in circuits van militaire kwaliteit worden gebruikt, sterk genoeg zijn om eeuwenlang een adequaat vacuüm vast te houden.