(Phys.org)—Utilizzando un nuovo metodo per controllare con precisione la deposizione di carbonio, i ricercatori hanno dimostrato una tecnica per collegare nanotubi di carbonio a parete multipla ai pad metallici dei circuiti integrati senza l'elevata resistenza di interfaccia prodotta dalle tecniche di fabbricazione tradizionali.
Basato sulla deposizione indotta da fascio di elettroni (EBID), si ritiene che il lavoro sia il primo a collegare più gusci di un nanotubo di carbonio a pareti multiple a terminali metallici su un substrato semiconduttore, che è rilevante per la fabbricazione di circuiti integrati. Utilizzando questa tecnica di fabbricazione tridimensionale, i ricercatori del Georgia Institute of Technology hanno sviluppato nanogiunzioni grafitiche su entrambe le estremità dei nanotubi di carbonio a parete multipla, che ha prodotto una diminuzione di 10 volte della resistività nella sua connessione alle giunzioni metalliche.
La tecnica potrebbe facilitare l'integrazione di nanotubi di carbonio come interconnessioni nei circuiti integrati di prossima generazione che utilizzano componenti sia di silicio che di carbonio. La ricerca è stata supportata dalla Semiconductor Research Corporation, e nelle sue prime fasi, dalla National Science Foundation. Il lavoro è stato segnalato online il 4 ottobre 2012, dalla rivista IEEE Transactions on Nanotechnology.
"Per la prima volta, abbiamo stabilito connessioni a più gusci di nanotubi di carbonio con una tecnica suscettibile di integrazione con i processi di microfabbricazione di circuiti integrati convenzionali, " ha detto Andrei Fedorov, un professore della George W. Woodruff School of Mechanical Engineering presso la Georgia Tech. "Il collegamento a più shell ci consente di ridurre drasticamente la resistenza e passare al livello successivo di prestazioni del dispositivo".
Nello sviluppo della nuova tecnica, i ricercatori si sono affidati alla modellazione per guidare i parametri di processo. Per renderlo scalabile per la produzione, hanno anche lavorato su tecnologie per l'isolamento e l'allineamento di singoli nanotubi di carbonio tra i terminali metallici su un substrato di silicio, e per esaminare le proprietà delle strutture risultanti. I ricercatori ritengono che la tecnica potrebbe essere utilizzata anche per collegare il grafene multistrato a contatti metallici, sebbene la loro ricerca pubblicata si sia finora concentrata sui nanotubi di carbonio.
Il processo EBID a bassa temperatura avviene in un sistema di microscopio elettronico a scansione (SEM) modificato per la deposizione di materiale. La camera a vuoto del SEM viene modificata per introdurre precursori dei materiali che i ricercatori vorrebbero depositare. Il cannone elettronico normalmente utilizzato per l'imaging di nanostrutture viene invece utilizzato per generare elettroni secondari a bassa energia quando gli elettroni primari ad alta energia incidono sul substrato in punti scelti con cura. Quando gli elettroni secondari interagiscono con molecole precursori di idrocarburi introdotte nella camera SEM, il carbonio viene depositato nei punti desiderati.
Unica per il processo EBID, il carbonio depositato fa un forte, connessione chimicamente legata alle estremità dei nanotubi di carbonio, a differenza dell'interfaccia fisica debolmente accoppiata realizzata con tecniche tradizionali basate sull'evaporazione del metallo. Prima della deposizione, le estremità dei nanotubi vengono aperte mediante un processo di incisione, quindi il carbonio depositato cresce nell'estremità aperta del nanotubo per collegare elettronicamente più gusci. La ricottura termica del carbonio dopo la deposizione lo converte in una forma grafitica cristallina che migliora significativamente la conduttività elettrica.
"Atomo per atomo, possiamo costruire la connessione dove il fascio di elettroni colpisce proprio vicino all'estremità aperta dei nanotubi di carbonio, " Fedorov ha spiegato. "Il più alto tasso di deposizione si verifica dove la concentrazione del precursore è alta e ci sono molti elettroni secondari. Ciò fornisce uno strumento di scultura su scala nanometrica con controllo tridimensionale per collegare le estremità aperte dei nanotubi di carbonio su qualsiasi substrato desiderato".
I nanotubi di carbonio a parete multipla offrono la promessa di una maggiore velocità di trasmissione delle informazioni per determinate interconnessioni utilizzate nei dispositivi elettronici. I ricercatori hanno immaginato una futura generazione di dispositivi ibridi basati su circuiti integrati tradizionali ma utilizzando interconnessioni basate su nanotubi di carbonio.
Fino ad ora, però, la resistenza alle connessioni tra le strutture in carbonio e l'elettronica convenzionale al silicio è stata troppo alta per rendere pratici i dispositivi.
"La grande sfida in questo campo è creare una connessione non solo con un singolo guscio di un nanotubo di carbonio, " disse Fedorov. "Se solo la parete esterna di un nanotubo di carbonio è collegata, in realtà non guadagni molto perché la maggior parte del canale di trasmissione è sottoutilizzato o non utilizzato affatto."
La tecnica sviluppata da Fedorov e dai suoi collaboratori produce una bassa resistività record alla connessione tra il nanotubo di carbonio e il pad metallico. I ricercatori hanno misurato una resistenza fino a circa 100 Ohm, un fattore dieci inferiore alla migliore misurata con altre tecniche di connessione.
"Questa tecnica ci offre molte nuove opportunità per andare avanti con l'integrazione di queste nanostrutture di carbonio in dispositivi convenzionali, " ha detto. "Perché è carbonio, questa interfaccia ha un vantaggio perché le sue proprietà sono simili a quelle dei nanotubi di carbonio a cui stanno fornendo una connessione".
I ricercatori non sanno esattamente quanti gusci di nanotubi di carbonio sono collegati, ma in base a misurazioni di resistenza, credono che almeno 10 dei circa 30 gusci conduttori stiano contribuendo alla conduzione elettrica.
Però, la manipolazione dei nanotubi di carbonio pone una sfida significativa al loro uso come interconnessioni. Quando si forma attraverso la tecnica dell'arco elettrico, Per esempio, i nanotubi di carbonio sono prodotti come un groviglio di strutture con lunghezze e proprietà variabili, alcuni con difetti meccanici. Sono state sviluppate tecniche per separare i singoli nanotubi, e per aprire le loro estremità.
Fedorov e i suoi collaboratori - studenti laureati attuali ed ex Songkil Kim, Dhaval Kulkarni, Konrad Rykaczewski e Mathias Henry, insieme al professore della Georgia Tech Vladimir Tsukruk, hanno sviluppato un metodo per allineare i nanotubi a parete multipla attraverso contatti elettronici utilizzando campi elettrici focalizzati in combinazione con un modello di substrato creato tramite litografia a fascio di elettroni. Il processo ha una resa significativamente migliorata di nanotubi di carbonio correttamente allineati, con un potenziale di scalabilità su un'ampia area del chip.
Una volta posizionati i nanotubi nelle loro posizioni, il carbonio viene depositato utilizzando il processo EBID, seguita dalla grafitizzazione. La trasformazione di fase nell'interfaccia del carbonio viene monitorata utilizzando la spettroscopia Raman per garantire che il materiale venga trasformato nel suo stato ottimale di grafite nanocristallina.
"Solo facendo progressi in ciascuna di queste aree possiamo ottenere questo progresso tecnologico, che è una tecnologia abilitante per la nanoelettronica basata su materiali in carbonio, " ha detto. "Questo è davvero un passaggio fondamentale per realizzare molti diversi tipi di dispositivi utilizzando nanotubi di carbonio o grafene".
Prima che la nuova tecnica possa essere utilizzata su larga scala, i ricercatori dovranno migliorare la loro tecnica per allineare i nanotubi di carbonio e sviluppare sistemi EBID in grado di depositare connettori su più dispositivi contemporaneamente. I progressi nei sistemi a fascio di elettroni paralleli possono fornire un modo per produrre in serie le connessioni, ha detto Fedorov.
"Un grosso lavoro resta da fare in questo settore, ma crediamo che questo sia possibile se l'industria si interessa, " ha osservato. "Ci sono applicazioni in cui l'integrazione di nanotubi di carbonio nei circuiti potrebbe essere molto interessante".
