(Phys.org) — Met behulp van een nieuwe methode voor het nauwkeurig regelen van de afzetting van koolstof, onderzoekers hebben een techniek gedemonstreerd voor het verbinden van meerwandige koolstofnanobuizen met de metalen pads van geïntegreerde schakelingen zonder de hoge interfaceweerstand die wordt veroorzaakt door traditionele fabricagetechnieken.

Gebaseerd op elektronenbundel-geïnduceerde depositie (EBID), het werk wordt verondersteld de eerste te zijn die meerdere schillen van een meerwandige koolstofnanobuis verbindt met metalen terminals op een halfgeleidend substraat, die relevant is voor de fabricage van geïntegreerde schakelingen. Met behulp van deze driedimensionale fabricagetechniek, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology ontwikkelden grafitische nanoverbindingen aan beide uiteinden van de meerwandige koolstofnanobuisjes, wat een 10-voudige afname van de soortelijke weerstand opleverde in zijn verbinding met metalen juncties.

De techniek zou de integratie van koolstofnanobuisjes als onderlinge verbindingen in geïntegreerde schakelingen van de volgende generatie kunnen vergemakkelijken die zowel silicium- als koolstofcomponenten gebruiken. Het onderzoek werd ondersteund door de Semiconductor Research Corporation, en in de beginfase, door de National Science Foundation. Het werk werd op 4 oktober online gemeld, 2012, door het tijdschrift IEEE Transactions on Nanotechnology.

"Voor de eerste keer, we hebben verbindingen tot stand gebracht met meerdere omhulsels van koolstofnanobuisjes met een techniek die vatbaar is voor integratie met conventionele microfabricageprocessen voor geïntegreerde schakelingen, " zei Andrei Fedorov, een professor aan de George W. Woodruff School of Mechanical Engineering aan Georgia Tech. "Door verbinding te maken met meerdere shells kunnen we de weerstand drastisch verminderen en naar het volgende niveau van apparaatprestaties gaan."

Bij de ontwikkeling van de nieuwe techniek de onderzoekers vertrouwden op modellering om hun procesparameters te sturen. Om het schaalbaar te maken voor productie, ze werkten ook aan technologieën voor het isoleren en uitlijnen van individuele koolstofnanobuisjes tussen de metalen uiteinden op een siliciumsubstraat, en voor het onderzoeken van de eigenschappen van de resulterende structuren. De onderzoekers denken dat de techniek ook kan worden gebruikt om meerlagig grafeen te verbinden met metalen contacten, hoewel hun gepubliceerde onderzoek zich tot nu toe heeft gericht op koolstofnanobuisjes.

Het EBID-proces bij lage temperatuur vindt plaats in een scanning-elektronenmicroscoop (SEM) -systeem dat is aangepast voor materiaalafzetting. De vacuümkamer van de SEM is aangepast om voorlopers te introduceren van de materialen die onderzoekers zouden willen deponeren. Het elektronenkanon dat normaal wordt gebruikt voor het afbeelden van nanostructuren, wordt in plaats daarvan gebruikt om secundaire elektronen met lage energie te genereren wanneer de primaire elektronen met hoge energie op zorgvuldig gekozen locaties op het substraat botsen. Wanneer de secundaire elektronen interageren met koolwaterstofprecursormoleculen die in de SEM-kamer worden geïntroduceerd, koolstof wordt op de gewenste locaties afgezet.

Uniek aan het EBID-proces, de afgezette koolstof maakt een sterke, chemisch gebonden verbinding met de uiteinden van de koolstofnanobuisjes, in tegenstelling tot de zwak gekoppelde fysieke interface gemaakt in traditionele technieken op basis van metaalverdamping. Voorafgaand aan de afzetting, de uiteinden van de nanobuisjes worden geopend met behulp van een etsproces, dus de afgezette koolstof groeit in het open uiteinde van de nanobuis om meerdere schillen elektronisch te verbinden. Thermisch gloeien van de koolstof na afzetting zet deze om in een kristallijne grafietvorm die de elektrische geleidbaarheid aanzienlijk verbetert.

"Atoom voor atoom, we kunnen de verbinding maken waar de elektronenstraal inslaat vlak bij het open uiteinde van de koolstofnanobuisjes, " legde Fedorov uit. "De hoogste afzettingssnelheid treedt op wanneer de concentratie van de voorloper hoog is en er veel secundaire elektronen zijn. Dit biedt een beeldhouwgereedschap op nanoschaal met driedimensionale controle voor het verbinden van de open uiteinden van koolstofnanobuisjes op elk gewenst substraat."

Meerwandige koolstofnanobuisjes bieden de belofte van een hogere doorvoer van informatie voor bepaalde verbindingen die in elektronische apparaten worden gebruikt. Onderzoekers hebben een toekomstige generatie hybride apparaten voor ogen die gebaseerd zijn op traditionele geïntegreerde schakelingen, maar met verbindingen op basis van koolstofnanobuisjes.

Tot nu, echter, weerstand bij de verbindingen tussen de koolstofstructuren en conventionele siliciumelektronica was te hoog om de apparaten praktisch te maken.

"De grote uitdaging op dit gebied is om niet alleen een verbinding te maken met een enkele schaal van een koolstofnanobuis, " zei Fedorov. "Als alleen de buitenwand van een koolstofnanobuis is verbonden, je wint echt niet veel omdat het grootste deel van het transmissiekanaal onderbenut is of helemaal niet wordt gebruikt."

De door Fedorov en zijn medewerkers ontwikkelde techniek levert een record lage soortelijke weerstand op bij de verbinding tussen de koolstofnanobuis en het metalen kussentje. De onderzoekers hebben een weerstand gemeten tot ongeveer 100 Ohm, een factor tien lager dan het beste dat met andere verbindingstechnieken was gemeten.

"Deze techniek geeft ons veel nieuwe kansen om verder te gaan met het integreren van deze koolstofnanostructuren in conventionele apparaten, "zei hij. "Omdat het koolstof is, deze interface heeft een voordeel omdat zijn eigenschappen vergelijkbaar zijn met die van de koolstofnanobuisjes waarmee ze een verbinding bieden."

De onderzoekers weten niet precies hoeveel van de koolstofnanobuisjes zijn verbonden, maar gebaseerd op weerstandsmetingen, ze geloven dat ten minste 10 van de ongeveer 30 geleidende omhulsels bijdragen aan elektrische geleiding.

Echter, het omgaan met koolstofnanobuisjes vormt een grote uitdaging voor hun gebruik als onderlinge verbindingen. Wanneer gevormd door de elektrische boogtechniek, bijvoorbeeld, koolstofnanobuisjes worden geproduceerd als een wirwar van structuren met verschillende lengtes en eigenschappen, sommige met mechanische defecten. Er zijn technieken ontwikkeld om afzonderlijke nanobuisjes te scheiden, en om hun uiteinden te openen.

Fedorov en zijn medewerkers - huidige en voormalige afgestudeerde studenten Songkil Kim, Dhaval Kulkarni, Konrad Rykaczewski en Mathias Henry, samen met Georgia Tech-professor Vladimir Tsukruk - ontwikkelde een methode voor het uitlijnen van de meerwandige nanobuisjes over elektronische contacten met behulp van gefocuste elektrische velden in combinatie met een substraatsjabloon gecreëerd door elektronenstraallithografie. Het proces heeft een aanzienlijk verbeterde opbrengst van goed uitgelijnde koolstofnanobuisjes, met een potentieel voor schaalbaarheid over een groot chipgebied.

Zodra de nanobuisjes op hun plaats zijn geplaatst, de koolstof wordt afgezet met behulp van het EBID-proces, gevolgd door grafitisering. De fasetransformatie in het koolstofinterface wordt gevolgd met behulp van Raman-spectroscopie om ervoor te zorgen dat het materiaal wordt omgezet in zijn optimale nanokristallijne grafiettoestand.

"Alleen door vooruitgang te boeken op elk van deze gebieden kunnen we deze technologische vooruitgang bereiken, wat een technologie is voor nano-elektronica op basis van koolstofmaterialen, " zei hij. "Dit is echt een cruciale stap voor het maken van veel verschillende soorten apparaten die koolstofnanobuizen of grafeen gebruiken."

Voordat de nieuwe techniek op grote schaal kan worden toegepast, onderzoekers zullen hun techniek voor het uitlijnen van koolstofnanobuisjes moeten verbeteren en EBID-systemen moeten ontwikkelen die connectoren tegelijkertijd op meerdere apparaten kunnen plaatsen. Vooruitgang in parallelle elektronenstraalsystemen kan een manier bieden om de verbindingen in massa te produceren, zei Fedorov.

"Er moet op dit gebied nog veel werk worden verzet, maar we geloven dat dit mogelijk is als de industrie geïnteresseerd raakt, " merkte hij op. "Er zijn toepassingen waarbij het integreren van koolstofnanobuizen in circuits zeer aantrekkelijk kan zijn."