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Circuiti integrati complessi fatti di nanotubi di carbonio
I primi circuiti di nanotubi di carbonio tridimensionali, realizzati dai ricercatori della Stanford University, potrebbero essere un passo importante nella realizzazione di computer a nanotubi che potrebbero essere più veloci e utilizzare meno energia rispetto ai chip di silicio di oggi. Un computer del genere è ancora lontano almeno 10 anni, ma il lavoro di Stanford mostra che è possibile realizzare circuiti impilati usando nanotubi di carbonio. I circuiti impilati accumulano più potenza di elaborazione in una determinata area e fanno anche un lavoro migliore dissipando il calore di scarto.
Circuito in carbonio: Questo circuito di nanotubi di carbonio, che è un elemento di memoria, è uno dei tanti possibili progetti che possono essere realizzati con nuovi metodi.
Un recente studio IBM ha mostrato che per un dato consumo energetico totale, un circuito realizzato con nanotubi di carbonio è cinque volte più veloce di un circuito in silicio. Possiamo realizzare transistor al silicio sempre più piccoli, ma a dimensioni estremamente ridotte non mostrano più le prestazioni desiderate, afferma Zhihong Chen, manager della tecnologia del carbonio presso la IBM Watson Research Center . Stiamo cercando materiali alternativi che possano essere scalati in modo più aggressivo ma che mantengano comunque le prestazioni del dispositivo.
I ricercatori hanno avuto un grande successo nella realizzazione di transistor a singolo nanotubo in laboratorio, ma scalarli per realizzare circuiti complessi è stato difficile perché è impossibile controllare la qualità di ogni singolo nanotubo. I progetti del circuito di Stanford, presentati la scorsa settimana al Incontro internazionale sui dispositivi elettronici a Baltimora, consentono di creare circuiti di nanotubi più complessi nonostante i limiti del materiale.
Quando abbiamo a che fare con un gran numero di componenti su scala nanometrica, non possiamo pretendere che tutto sia perfetto, afferma H.-S. Philip Wong , professore di ingegneria elettrica a Stanford. Quando i ricercatori di Stanford coltivano array di nanotubi per creare circuiti, ottengono un mix di nanotubi semiconduttori e nanotubi metallici che causeranno cortocircuiti elettrici se non vengono eliminati. Alcuni dei nanotubi crescono in linea retta, ma alcuni sono ondulati e anche questi devono essere aggirati. Mentre i chimici lavorano su metodi per coltivare nanotubi dritti e puri, la domanda dei ricercatori di Stanford, dice Wong, è: come possiamo mitigarlo e assicurarci che il sistema funzioni ancora?
La risposta è tenere conto delle limitazioni dei materiali nei progetti dei circuiti. Dobbiamo trovare un modo per costruire con i nanotubi metallici in modo che non creino problemi, dice Subhasish Mitra , professore di ingegneria elettrica e informatica a Stanford. Il gruppo di Stanford realizza prima quello che Mitra chiama un layout stupido. Utilizzando un timbro, i ricercatori trasferiscono una matrice piatta e allineata di nanotubi di carbonio cresciuti su un substrato di quarzo su un wafer di silicio. Quindi ricoprono i nanotubi con elettrodi metallici. Sulla superficie del wafer, tra il silicio e i nanotubi, c'è uno strato isolante che funge da back gate, consentendo ai ricercatori di spegnere i nanotubi semiconduttori prima di utilizzare gli elettrodi metallici per bruciare i nanotubi metallici con un'esplosione di elettricità . Viene aggiunto un gate superiore modellato in modo tale da non collegarsi a tubi disallineati. I circuiti vengono quindi incisi per rimuovere gli elettrodi metallici che non sono necessari per la progettazione del circuito finale.
Per realizzare un circuito tridimensionale, i ricercatori ripetono semplicemente le procedure di stampaggio e crescita degli elettrodi per impilare tutti gli strati necessari prima del processo di incisione finale. Il processo di stampaggio dei nanotubi, che il gruppo di Stanford ha dimostrato per la prima volta l'anno scorso, è fondamentale per creare strati sovrapposti perché può essere eseguito a basse temperature che non fondono i contatti elettrici metallici negli strati sottostanti.
Mentre gli scienziati dei materiali stanno ancora lavorando su come coltivare lotti di nanotubi di carbonio in cui ognuno è semiconduttore, il gruppo di Stanford sta aggirando il problema. Invece di bruciare un tubo alla volta, lo fanno a livello di circuito, quindi progettano i circuiti in modo intelligente per aggirare i tubi bruciati, afferma Chen di IBM.
Hanno dimostrato circuiti piccoli e semplici, come quello che è stato fatto a metà degli anni '60 con il silicio, afferma Shekhar Borkar , un membro di Intel e direttore del laboratorio di tecnologia dei microprocessori dell'azienda. Il gruppo di Stanford ha realizzato, ad esempio, una semplice calcolatrice in grado di aggiungere e memorizzare numeri.
Il gruppo di Stanford sta attualmente lavorando per realizzare circuiti integrati sempre più complessi. Per quanto riguarda la complessità, non c'è fondamentalmente alcuna barriera sui nanotubi di carbonio, afferma Mitra. Tuttavia, le barriere materiali rimangono. Gli array di nanotubi di Stanford sono tra i più densi mai realizzati, con 5-10 nanotubi per micrometro, ma questo non è abbastanza. Abbiamo bisogno di 100 nanotubi per micrometro per ottenere prestazioni davvero buone, afferma Wong.