Die Funktionalität der Geräte kann einfach durch Ändern von Nanomaterialien und ohne Beeinträchtigung des Prozesses geändert werden
Quantenpunkte (rot), Kohlenstoffnanoröhren (grau) und Molybdändisulfid-Nanoblätter (grauweiß) sind Vertreter von Nanomaterialien der Klassen 0D, 1D und 2D, die mit der auf Graphen basierenden Platzierungsmethode mit einem elektrischen Hilfsfeld in großem Maßstab gesammelt werden können .Vor vier Jahren gab IBM bekannt, dass im Rahmen seines umfangreichen 7-nm- und Beyond-Projekts [7nm and Beyond] geplant ist, in den nächsten fünf Jahren 3 Milliarden US-Dollar in die Zukunft der Nanoelektronik zu investieren. Mindestens einer der größten Chiphersteller, GlobalFoundries, stieß auf die Wand des 7-nm-Prozesses, und IBM will noch weiter gehen und Graphen verwenden, um Nanomaterialien an bestimmten Stellen ohne chemische Kontamination zu platzieren.
Eine in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlichte
Studie beschreibt, wie IBM-Wissenschaftler Graphen zuerst so elektrifizierten, dass es dabei half, Nanomaterialien mit einer Genauigkeit von 97% zu lokalisieren.
„Da diese Methode mit einer Vielzahl von Nanomaterialien funktioniert, stellen wir uns integrierte Geräte mit Funktionen vor, die auf den einzigartigen physikalischen Eigenschaften von Nanomaterialien basieren“, sagte
Matias Steiner , Brazil Research Manager bei IBM Research. "Wir können uns auch Detektoren und Lichtemitter auf einem Chip vorstellen, deren spezifische Wellenlänge durch die optischen Eigenschaften des Nanomaterials bestimmt wird."
Als Beispiel erklärte Steiner, dass Sie das Nanomaterial einfach ersetzen können, wenn Sie die spektralen Eigenschaften eines optoelektronischen Geräts ändern müssen, wobei der Rest des Herstellungsprozesses unverändert bleibt. Wenn wir diese Methode weiterentwickeln, wird es möglich sein, verschiedene Nanomaterialien an verschiedenen Orten in mehreren Durchgängen der Montagelinie zu sammeln und Lichtdetektoren zu erstellen, die gleichzeitig in verschiedenen Frequenzfenstern arbeiten. "
Laut
Michael Ingel , einem Mitglied des brasilianischen Forschungsteams, kann der Prozess als Hybrid beschrieben werden, der Top-Down- und Bottom-Up-
Ansätze kombiniert. Vor einigen Jahren hat IBM einen dieser Hybridprozesse entwickelt, bei dem Top-Down-Fertigungstechnologien wie Lithografie mit Bottom-Up-Technologien kombiniert wurden, mit denen die Elektronik durch Selbstorganisation erweitert wird.
Ingel erklärte, dass der erste Schritt im Hybridprozess darin besteht, Graphen direkt auf dem Substrat zu züchten, auf dem das Nanomaterial zusammengesetzt wird. Bei der Demonstration des Unternehmens wurde Graphen auf Siliziumkarbid verwendet. Ingel bemerkte, dass es auch möglich ist, Graphen auf anderen Materialien wie Kupfer zu züchten und es dann abzuziehen und auf ein Substrat aus Silizium oder Siliziumoxid zu legen.
Der nächste Schritt ist das Ätzen von Graphen, um den Ort zu bestimmen. Dies geschieht in großem Maßstab und kann als Teil des Top-Down-Technologieprozesses betrachtet werden.
Der dritte Schritt verwendet die Bottom-up-Technologie, bei der Forscher Graphenschichten in ein elektrisches Wechselfeld bringen und gleichzeitig eine Lösung aus Nanomaterial darauf legen. Nanomaterial sickert nach unten und befindet sich zwischen gegenüberliegenden Graphenelektroden.
"Graphen bestimmt also den Ort und liefert die Orientierung des elektrischen Feldes und der Kraft, die das Nanomaterial für seine gerichtete Anordnung einfängt", sagte Ingel.
Im vierten Schritt werden Graphenelektroden geätzt und zusätzliche Herstellungsvorgänge durchgeführt, um elektronische oder optoelektronische Bauelemente zu integrieren.
Zuvor war die fortschrittlichste Methode die Verwendung von Metallelektroden, die schwer zu entfernen sind und die Effizienz der Vorrichtung und das Integrationspotential einschränken. "Wir glauben, dass der größte Durchbruch in dieser Arbeit die Bottom-up-Anordnung einer Vielzahl von Nanomaterialien mit einer Auflösung im Nanometerbereich auf viel größeren Abschnitten von Millimetergrößen und mit leicht entfernbaren Elektroden ist", sagte Steiner. „Graphenelektroden bieten eine hervorragende Ausrichtung und Dichte des Nanomaterials, begrenzen die Wechselwirkung mit Chemikalien und vermeiden Metallleitungen, was zu einer überlegenen Geräteleistung führt.“
Dieser Prozess wird nicht schnell dazu beitragen können,
Moores Gesetz zu erfüllen. Eines der größten Probleme ist laut Ingel die Verwendung von Nanomateriallösungen in der industriellen Produktion. "Dies erfordert Fortschritte bei der Standardisierung von Nanomateriallösungen, um wiederholbare und konsistente Ergebnisse zu erzielen, sowie die Anpassung der Methode mit einem elektrischen Hilfsfeld für die Verwendung in Substratherstellungsprozessen", sagte Ingel.
Obwohl IBM das Problem der Standardisierung von Nanomaterialien nicht lösen wird, arbeiten die Forscher weiter an der Technologie und integrieren verschiedene Nanomaterialien, um integrierte Schaltkreise wie elektrische Wechselrichter oder Ringgeneratoren an unterschiedliche Anforderungen anzupassen. Die Forscher entwickeln auch Lichtemitter und Chipdetektoren, deren spektrale Eigenschaften durch das verwendete Nanomaterial bestimmt werden.