Ingenieurs aan de Universiteit van Californië, rivieroever, hebben prototypes gedemonstreerd die gemaakt zijn van een exotisch materiaal dat een stroomdichtheid kan geleiden die 50 keer groter is dan de conventionele koperen verbindingstechnologie.

Stroomdichtheid is de hoeveelheid elektrische stroom per dwarsdoorsnede op een bepaald punt. Naarmate transistors in geïntegreerde schakelingen steeds kleiner worden, ze hebben steeds hogere stroomdichtheden nodig om op het gewenste niveau te presteren. De meeste conventionele elektrische geleiders, zoals koper, hebben de neiging om te breken door oververhitting of andere factoren bij hoge stroomdichtheden, een barrière vormen voor het maken van steeds kleinere componenten.

De elektronica-industrie heeft alternatieven nodig voor silicium en koper die extreem hoge stroomdichtheden kunnen weerstaan ​​met afmetingen van slechts enkele nanometers.

De komst van grafeen resulteerde in een enorme, wereldwijde inspanning gericht op onderzoek naar andere tweedimensionale, of 2-D, gelaagde materialen die zouden voldoen aan de behoefte aan elektronische componenten op nanoschaal die een hoge stroomdichtheid aankunnen. Terwijl 2D-materialen bestaan ​​uit een enkele laag atomen, 1D-materialen bestaan ​​uit afzonderlijke ketens van atomen die zwak aan elkaar zijn gebonden, maar hun potentieel voor elektronica is niet zo uitgebreid bestudeerd.

Men kan 2D-materialen zien als dunne sneetjes brood, terwijl 1D-materialen als spaghetti zijn. In vergelijking met 1D-materialen, 2D-materialen lijken enorm.

Een groep onderzoekers onder leiding van Alexander A. Balandin, een vooraanstaande professor in elektrische en computertechniek aan het Marlan and Rosemary Bourns College of Engineering aan de UC Riverside, ontdekte dat zirkoniumtritelluride, of ZrTe ₃ , nanoribbons hebben een uitzonderlijk hoge stroomdichtheid die veel groter is dan die van conventionele metalen zoals koper.

De nieuwe strategie van het UC Riverside-team duwt onderzoek van tweedimensionale naar eendimensionale materialen - een belangrijke vooruitgang voor de toekomstige generatie elektronica.

"Conventionele metalen zijn polykristallijn. Ze hebben korrelgrenzen en oppervlakteruwheid, die elektronen verstrooien, " zei Balandin. "Quasi-eendimensionale materialen zoals ZrTe ₃ bestaan ​​uit eenkristal atoomketens in één richting. Ze hebben geen korrelgrenzen en hebben vaak atomair gladde oppervlakken na afschilfering. We schreven de uitzonderlijk hoge stroomdichtheid in ZrTe ₃ aan de monokristallijne aard van quasi-1D-materialen."

In principe, dergelijke quasi-1D-materialen kunnen direct worden gekweekt tot nanodraden met een doorsnede die overeenkomt met een individuele atomaire draad, of ketting. In de huidige studie is het niveau van de stroom die wordt ondersteund door de ZrTe ₃ kwantumdraden was hoger dan gerapporteerd voor metalen of andere 1D-materialen. Het bereikt bijna de huidige dichtheid in koolstofnanobuisjes en grafeen.

Elektronische apparaten zijn afhankelijk van speciale bedrading om informatie tussen verschillende delen van een circuit of systeem te vervoeren. Terwijl ontwikkelaars apparaten miniaturiseren, hun interne onderdelen moeten ook kleiner worden, en de onderlinge verbindingen die informatie tussen delen dragen, moeten het kleinst van allemaal worden. Afhankelijk van hoe ze zijn geconfigureerd, de ZrTe ₃ nanoribbons kunnen worden gemaakt in lokale verbindingen op nanometerschaal of apparaatkanalen voor componenten van de kleinste apparaten.

De experimenten van de UC Riverside-groep werden uitgevoerd met nanolinten die waren gesneden uit een vooraf gemaakt vel materiaal. Industriële toepassingen moeten nanoribbon direct op de wafer laten groeien. Dit productieproces is al in ontwikkeling, en Balandin gelooft dat 1D-nanomaterialen mogelijkheden bieden voor toepassingen in toekomstige elektronica.

"Het meest opwindende aan de quasi-1D-materialen is dat ze echt kunnen worden gesynthetiseerd in de kanalen of verbindingen met de uiteindelijk kleine dwarsdoorsnede van één atomaire draad - ongeveer één nanometer bij één nanometer, ' zei Balandin.

De resultaten van dit onderzoek verschijnen deze maand in IEEE Electron Device Letters .