Nanotrådar har kommit ett steg närmare elektroniktillverkning

Forskarna använde ett instrument som kallas ”transmission electron microscope” för att se hur nanotrådar gjorda av kisel började ta form, innan de började växa, säger Eric Stach, biträdande professor i materialteknik vid Purdue University. Arbetet kommer från IBM: s Thomas J. Watson Research Center och Purdue: s Birck Nanotechnology Center, båda i USA. Forskningen finansieras av amerikanska National Science Foundation genom NSF: s Electronic and Photonic Materials Program in the Division of Materials Research. Den kärnbildande processen kan liknas vid isbildningen i vatten som placerats i en frys. Vätskan genomgår en fasförändring, en övergång från flytande till fast fas. "Vad som är ovanligt med detta arbete är att vi tittar på dessa saker i en extremt liten skala," säger Stach. "De tre viktigaste resultaten är att du kan se att kärnbildningsprocessen i så liten skala är mycket repeterbar, att du kan mäta och förutse när det ska ske och att dessa två faktorer tillsammans ger dig en känsla av att du tryggt kan utforma ett system för att tillverka dessa nanotrådar för elektronik. " Detta är den första gången forskare har gjort så exakta mätningar av kärnbildning för nanotrådar, säger han. Resultaten kommer att redovisas i en detaljerad forskningsrapport som utges fredagen den 14 november i tidskriften Science. Rapporten har skrivits av Purdue-doktoranden Bong Joong Kim, Stach och IBM materialforskarna Frances Ross, Jerry Tersoff, Suneel Kodambaka och Mark Reuter från fysikvetenskapliga institutionen vid Watson Research Center. Silicon nanowires börjar formeras från små guldnanopartiklar som varierar i storlek från 10 till 40 nanometer, eller miljarddelar av en meter. Som jämförelse är en human röd blodkropp mer än 100 gånger större än guldpartiklarna. Guldet partiklarna placeras i mikroskopets vakuumkammare och utsätts sedan för en gas som innehåller kisel, och partiklarna fungera som en katalysator för att fälla ut kisel från gasen och formeras till fasta trådar. Partiklarna är uppvärmda till ca 600 grader Celsius, som får dem att smälta allteftersom de fyller på med kisel från gasen. Med ökande exponering kommer det flytande guldet så småningom innehålla för mycket kisel så övermättat kisel kondenserar i fast form, vilket skapar nanotrådar. "Vi upptäckte att det finns en enda kärnbildning i varje liten droppe och att alla kärnbildningarna inträffar i mycket kontrollerade former," säger Stach. "Detta innebär att om du försöker skapa elektronik som bygger på denna teknik kan du faktiskt förutse när kristalltillväxtprocessen startar. Du kan se att det kommer att ske på samma sätt varje gång, och att det på så sätt finns potential att göra saker på ett repeterbart sätt för elektroniktillverkning." Även om forskarna studerat kisel kan samma slutsatser tillämpas på tillverkning av nanotrådar gjorda av andra halvledande material. Ett elektronmikroskop är det enda instrument som kan iaktta den kärnbildande processen för nanotrådar, vilken måste vara tusen gånger större för att kunna ses i ljusmikroskop, säger Stach. Nanotrådar kan göra det möjligt för ingenjörer att lösa ett problem som hotar att kullkasta elektronikindustrin. Ny teknik kommer att behövas för branschen för att hålla jämna steg med Moores lag, en inofficiell regel som anger att antalet transistorer på ett datachip fördubblas ungefär var 18 månad, vilket leder till snabba framsteg för datorer och telekommunikation. Fördubbling av antalet enheter som får plats på ett datachip leder till en liknande ökning i prestanda. Men det blir allt svårare att fortsätta krympa elektronik tillverkad av konventionella kisel-baserade halvledare. "Om fem, till som mest 10 år, har kiseltransistorernas dimensioner minskats till sin fysiska gräns," säger Stach. Transistorer tillverkade av nanotrådar utgör en potentiell väg för att fortsätta traditionen av Moores lag. "Nanotrådar av kisel och ämnen som galliumarsenid, galliumnitrid eller indiumarsenid eller andra typer av exotiska halvledare håller på att undersökas som ett steg mot att fortsätta att skala ner elektronik," säger Stach . "Om du vill tillverka produkter av nanotrådar och göra dem på samma sätt varje gång på en 12-tums wafer så måste du förstå den grundläggande fysiken i hur man startar tillväxten och kinetiken i den fortsatta tillväxten." En utmaning i att använda nanotrådar i elektronik är att ersätta guld som katalysator med andra metaller som är bättre lämpade för elektronikindustrin, säger Stach. Guldpartiklarna skapas inne i mikroskopets vakuumkammare, men i framtida forskning kan man kanske använda guldnanopartiklar tillverkade mer enhetligt med en annan teknik.