De dagen van Copper zijn geteld, en een nieuwe studie aan het Rensselaer Polytechnic Institute zou de ondergang van het alomtegenwoordige metaal in smartphones kunnen bespoedigen, tabletcomputers, en bijna alle elektronica. Dit is goed nieuws voor technofielen die op zoek zijn naar kleinere, snellere apparaten.

Naarmate nieuwe generaties computerchips steeds kleiner worden, net als de koperbanen die elektriciteit en informatie transporteren rond het labyrint van transistors en componenten. Wanneer deze paden - interconnecties genoemd - kleiner worden, ze worden minder efficiënt, meer stroom verbruiken, en zijn meer vatbaar voor permanent falen.

Om deze hindernis te overwinnen, de industrie en de academische wereld doen intensief onderzoek naar nieuwe kandidaten om traditioneel koper op te volgen als het materiaal bij uitstek voor interconnecties op computerchips. Een veelbelovende kandidaat is grafeen, een atoomdikke laag koolstofatomen gerangschikt als een kippengaashek op nanoschaal. Door onderzoekers geprezen om zijn unieke eigenschappen, grafeen is in wezen een enkele laag van het grafiet dat gewoonlijk wordt aangetroffen in onze potloden of de houtskool die we op onze barbecues verbranden.

Onder leiding van Rensselaer-professor Saroj Nayak, een team van onderzoekers ontdekte dat ze het vermogen van grafeen om elektriciteit over te dragen konden verbeteren door verschillende dunne grafeenlinten op elkaar te stapelen. De studie, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano , brengt de industrie dichter bij het realiseren van grafeen-nano-elektronica en noemt grafeen de erfgenaam van koper.

"Grafeen toont een enorm potentieel voor gebruik in interconnects, en het opstapelen van grafeen toont een haalbare manier om deze structuren in massa te produceren, " zei Nayak, een professor in het departement Natuurkunde, Toegepaste fysica, en astronomie bij Rensselaer. "Coopers beperkingen zijn duidelijk, omdat steeds kleinere koperverbindingen last hebben van trage elektronenstromen, wat resulteert in heter, minder betrouwbare apparaten. Onze nieuwe studie pleit voor de mogelijkheid dat stapels grafeenlinten zouden kunnen hebben wat nodig is om te worden gebruikt als onderlinge verbindingen in geïntegreerde schakelingen."

De studie, gebaseerd op grootschalige kwantumsimulaties, werd uitgevoerd met behulp van het Rensselaer Computational Center for Nanotechnology Innovations (CCNI), een van 's werelds krachtigste universitaire supercomputers.

Koperen interconnects hebben te maken met allerlei ongewenste problemen, die prominenter worden naarmate de grootte van de onderlinge verbindingen kleiner wordt. Elektronen reizen traag door de koperen nanodraden en genereren intense hitte. Als resultaat, de elektronen "slepen" koperatomen met zich mee. Deze misplaatste atomen verhogen de elektrische weerstand van de koperdraad, en verslechteren het vermogen van de draad om elektronen te transporteren. Dit betekent dat er minder elektronen succesvol door het koper kunnen gaan, en eventuele aanhoudende elektronen worden uitgedrukt als warmte. Deze hitte kan negatieve effecten hebben op zowel de snelheid als de prestaties van een computerchip.

Het is algemeen aanvaard dat er in de komende vijf tot tien jaar een kwaliteitsvervanging voor traditioneel koper moet worden ontdekt en geperfectioneerd om de wet van Moore verder te bestendigen - een industriemantra die het aantal transistors op een computerchip aangeeft, en dus de snelheid van de chip, moet elke 18 tot 24 maanden verdubbelen.

Nayaks recente werk, gepubliceerd in het tijdschrift ACS Nano, is getiteld "Effect van het stapelen van lagen op de elektronische structuur van grafeen-nanoribbons." Wanneer ze in nanolinten worden gesneden, Van grafeen is bekend dat het een bandgap vertoont - een energiekloof tussen de valentie- en geleidingsbanden - wat een onaantrekkelijke eigenschap is voor onderlinge verbindingen. De nieuwe studie toont aan dat het stapelen van de grafeen nanoribbons op elkaar, echter, zou deze band gap aanzienlijk kunnen verkleinen. Het onderzoek kan online worden bekeken op:http://dx.doi.org/10.1021/nn200941u

"De optimale dikte is een stapel van vier tot zes lagen grafeen, " zei Neerav Kharche, eerste auteur van de studie en een computationele wetenschapper bij CCNI. "Het stapelen van meer lagen buiten deze dikte verkleint de band gap niet verder."

De eindbestemming, Nayak zei, is om op een dag microprocessors - zowel de interconnects als de transistors - volledig uit grafeen te maken. Dit spelveranderende doel, monolithische integratie genoemd, zou het einde betekenen van het lange tijdperk van koperen interconnecties en siliciumtransistoren.

"Zo'n vooruitgang is waarschijnlijk nog vele jaren in de toekomst, maar het zal zeker een revolutie teweegbrengen in de manier waarop bijna alle computers en elektronica worden ontworpen en vervaardigd, ' zei Najak.