Традиционные кремниевые интегральные схемы можно найти во многих устройствах, от больших серверов до автомобилей и мобильных телефонов. Их широко распространённая интеграция отчасти зависит от способности полупроводниковой отрасли продолжать оказывать надёжную и масштабную производительность на протяжении многих десятилетий, сообщает «WordScience.org».
Однако, в то время как кремниевые схемы продолжают уменьшаться в размерах, предсказания о том, что число транзисторов, которые могут поместиться на интегральных схемах, удваивается каждые два года — потребление энергии растёт невероятно быстро. Кроме того, обычные кремниевые электронные устройства не очень хорошо функционируют при экстремальных условиях, таких как высокая температура и радиация.
В попытке поддержать прогресс этих устройств различные научные сообщества до сих пор стремятся найти гибридные или альтернативные технологии, стараясь при этом сдерживать расход потребляемой энергии. Технология наноэлектромеханических переключателей (НЭМ) является одной из тех вариантов, в которых по предположению учёных, прослеживаются большие перспективы на будущее.
«НЭМ переключатели состоят из наноструктур, таких как углеродистые нанотрубки и нанопроволока, которые механически отключаются под действием электростатических сил для того, чтобы разорвать цепь или разомкнуть контакт с электродом», — заявили Горацио Эспиноза, Джеймс Н. и Нэнси Дж. Фарли профессора в Инженерной школе Маккормика при Северо-Западном университете (McCormick School of Engineering at Northwestern University).
НЭМ переключатели, разработанные для функционирования, аналогично кремниевым транзисторам, могут быть использованы как в автономных, так и в гибридных НЭМ устройствах. Данные переключатели имеют ультранизкое энергопотребление и сильную устойчивость к высоким температурам и радиационному облучению.
С учётом своего потенциала в последнем десятилетии было уделено существенное внимание на развитие, как гибридных, так и автономных НЭМ устройств. В текущем выпуске журнала «Nature Nanotechnology» говорится о рассмотрении этого десятилетнего прогресса группой Эспиноза. Их обзор представляет собой всестороннее обсуждение потенциала этих технологий, а также основных проблем, связанных с их устранением.
Например, одна проблема, имеющаяся с давних времён заключалась в создании огромного количества наноструктур, таких как углеродные нанотрубки, которые в основном используются для создания НЭМ устройств. (Для сравнения, современная кремниевая электроника может иметь миллиарды транзисторов на одном чипе). В то время, как отдельные НЭМ устройства показывают очень высокую производительность, оказывается, по сей день трудно «заставить» их надёжно работать для миллионов циклов, которые необходимы в том случае, если устройства предназначены для использования в бытовой электронике. В журнале «Nature Nanotechnology» подробно детализированы различные виды отказов и также описаны методы по их устранению.
В качестве примера достижений, которые способствуют улучшению надёжности технологии НЭМ переключателей, сообщается в последнем номере журнала «Advanced Materials». Здесь Эспиноза вместе со своей группой показывает, как выбор нового материала может значительно повысить надёжность гибридных «НЭМ-КМОП» и автономных НЭМ устройств.
«НЭМ устройства, используемые с металлические электродами, являются одним из множества способов отключения, выполненного после нескольких циклов срабатывания», — сказал Оуэн Ло, аспирант Северо-Западного университета и со-автор статьи, в настоящее время работающий в компании «Intel».
Заменяя всего лишь металлические электроды на электроды, изготовленные из проводящих алмазоподобных углеродных плёнок, группа учёных смогла значительно повысить количество циклов в этих устройствах. Переключатели, которые изначально отключались после 10 циклов, теперь работают без сбоев при 1 миллионе циклов. Этот поверхностный, но эффективный прогресс может стать ключевым шагом для реализации НЭМ устройств, потенциалы которых также изложены в недавнем обзоре.
Работа, о которой говорится в «Advanced Materials», была выполнена благодаря сотрудничеству между Северо-Западным университетом (Northwestern University), Центром интегрированных нанотехнологий (Center for Integrated Nanotechnologies) в Национальной лаборатории Синдиа (Sandia National Laboratories) и Центром наноматериалов (Center for Nanoscale Materials) в Аргоннской национальной лабораторией (Argonne National Laboratory). Финансирование было предоставлено Национальным научным фондом (National Science Foundation), Армейским исследовательским управлением (Army Research Office), Министерством энергетики США (U. S. Department of Energy) и Управлением военно-морских исследований (Office of Naval Research).
«В конечном счёте, понимание гибридных «НЭМ-КМОП» устройств следующего поколения позволит производить дальнейшее масштабирование электроники, а также многочисленных систем, с которыми мы ежедневно сталкиваемся», — сказал Эспиноза.
