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IBM沉积石墨烯纳米材料向前迈进

行业资讯2019-07-02人阅读评论

  量子点(红色)、碳纳米管(灰色)和二硫化钼纳米片(白色/灰色)显示为代表性的0D,1D和2D纳米材料,可以基于石墨烯基的、电场辅助的沉积方法将它们大规模地加以组装。

  四年前,IBM宣布将在未来五年内投资30亿美元用于发展纳米电子学[1],这笔投资对应的大项目名称是“7纳米及超越7纳米”。至少有一家主要芯片制造商(包括GlobalFoundries)在7纳米节点碰壁,但IBM正通过使用石墨烯在预先确定的位置沉积纳米材料,继续向前迈进。

  据《自然-通讯》期刊上10月5日在线发表的一篇论文[2]所述,IBM的研究人员首次使石墨烯带电以便其帮助实现以97%的准确率沉积纳米材料。

  “由于这种方法适用于各种纳米材料,我们设想了具有代表纳米材料独特物理特性的功能的集成器件。”IBM巴西研究所的管理者Mathias Steiner说。“我们还能想到在由纳米材料的光学特性决定的不同波长范围内工作的芯片上光探测器和发射器。”

  Steiner解释说,例如,如果你想要修改光电器件的光谱特性,你可以简单地替换纳米材料,而同时保持制造工艺流程不变。如果你进一步采用该方法,你可以进行多次组装,将在不同位置的不同纳米材料加以组装,以创建同时在不同检测窗口运行的多个芯片上光检测器。

  IBM巴西研究所的研究人员Michael Engel说,整个方法可以看作是一种自下而上/自上而下的混合工艺流程。几年前,IBM创造了一种混合工艺[3],它结合了自上而下的制造技术(如光刻技术)和自下而上的技术(通过自组装“生长出”电子产品)。

  Engel解释说,这种混合工艺的第一步是直接在进行纳米材料组装的基板上生长石墨烯。

  在IBM的演示中,他们在碳化硅上使用了石墨烯。Engel指出,也可以在另一种材料(如铜)上生长石墨烯,然后剥离石墨烯并将其放在硅/二氧化硅晶片上。

  下一步是蚀刻石墨烯以确定沉积位置。这是大规模完成的,可以被认为是该工艺的自上而下部分。

  第三步采用自下而上技术,研究人员将AC电场应用于图案化的石墨烯层,同时在上面放置纳米材料溶液。然后,纳米材料被拖曳下来并被限制在相反的石墨烯电极之间。

  Engel说:“所以,石墨烯履行了界定放置位置和为定向纳米材料组装提供电场方向和拖曳力的功能”。

  在该工艺的第四步中,蚀刻掉石墨烯沉积电极,接着是用于集成和操作电子或光电器件的其他制造步骤。

  在这项研究成果之前的最先进技术是使用金属电极,金属电极是很难移除的,限制了器件性能和集成潜力。

  Steiner说:“我们相信这项研究的最大突破是在更大的、毫米尺度的区域内自下而上放置纳米级分辨率的各种纳米材料,并可很容易地移除(残留的自由)电极。石墨烯电极使纳米材料对齐和密集排列的能力出色,且可限制化学物质的暴露,避免金属线,从而实现卓越的器件性能。”

  该工艺不会在一夜之间拯救摩尔定律。根据Engel的说法,最大的挑战之一是将基于溶液处理的纳米材料引入工业规模的制造过程。

  Engel说:“这将需要在纳米材料溶液的标准化方面取得进展,以实现可重复和一致的结果,同时也需要使电场辅助的方法适用于晶圆级制造工艺。”

  虽然IBM无法解决纳米材料溶液的标准化问题,但研究人员正在继续研究器件层面的技术,并将不同的纳米材料集成在一起,以便定制基本的集成电路(例如电子逆变器、环形振荡器等)。

  沿着这些思路,研究人员正在开发其光谱特性由组装的纳米材料决定的、专用的芯片上光发射器和探测器。


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