p (Phys.org) - Usando um novo método para controlar com precisão a deposição de carbono, pesquisadores demonstraram uma técnica para conectar nanotubos de carbono de paredes múltiplas às almofadas metálicas de circuitos integrados sem a alta resistência de interface produzida por técnicas de fabricação tradicionais. p Com base na deposição induzida por feixe de elétrons (EBID), acredita-se que o trabalho seja o primeiro a conectar várias camadas de um nanotubo de carbono de paredes múltiplas a terminais de metal em um substrato semicondutor, que é relevante para a fabricação de circuitos integrados. Usando esta técnica de fabricação tridimensional, pesquisadores do Instituto de Tecnologia da Geórgia desenvolveram nano-pontos grafíticos em ambas as extremidades dos nanotubos de carbono de paredes múltiplas, que produziu uma diminuição de 10 vezes na resistividade em sua conexão com as junções de metal.
p A técnica pode facilitar a integração de nanotubos de carbono como interconexões em circuitos integrados de próxima geração que usam componentes de silício e carbono. A pesquisa foi apoiada pela Semiconductor Research Corporation, e em seus estágios iniciais, pela National Science Foundation. O trabalho foi relatado online em 4 de outubro, 2012, pela revista IEEE Transactions on Nanotechnology.
p "Pela primeira vez, estabelecemos conexões com várias camadas de nanotubos de carbono com uma técnica que é passível de integração com processos convencionais de microfabricação de circuito integrado, "disse Andrei Fedorov, professor da Escola de Engenharia Mecânica George W. Woodruff da Georgia Tech. "Conectar-se a vários invólucros nos permite reduzir drasticamente a resistência e passar para o próximo nível de desempenho do dispositivo."
p Ao desenvolver a nova técnica, os pesquisadores confiaram na modelagem para orientar seus parâmetros de processo. Para torná-lo escalável para fabricação, eles também trabalharam em tecnologias para isolar e alinhar nanotubos de carbono individuais entre os terminais de metal em um substrato de silício, e para examinar as propriedades das estruturas resultantes. Os pesquisadores acreditam que a técnica também pode ser usada para conectar o grafeno de várias camadas a contatos de metal, embora suas pesquisas publicadas até agora tenham se concentrado em nanotubos de carbono.
p O processo EBID de baixa temperatura ocorre em um sistema de microscópio eletrônico de varredura (MEV) modificado para deposição de material. A câmara de vácuo do SEM é alterada para introduzir os precursores dos materiais que os pesquisadores gostariam de depositar. O canhão de elétrons normalmente usado para geração de imagens de nanoestruturas é, em vez disso, usado para gerar elétrons secundários de baixa energia quando os elétrons primários de alta energia colidem com o substrato em locais cuidadosamente escolhidos. Quando os elétrons secundários interagem com moléculas precursoras de hidrocarbonetos introduzidas na câmara SEM, o carbono é depositado nos locais desejados.
p Exclusivo para o processo EBID, o carbono depositado torna um forte, conexão quimicamente ligada às extremidades dos nanotubos de carbono, ao contrário da interface física fracamente acoplada feita em técnicas tradicionais baseadas na evaporação de metal. Antes da deposição, as extremidades dos nanotubos são abertas usando um processo de corrosão, assim, o carbono depositado cresce na extremidade aberta do nanotubo para conectar eletronicamente várias camadas. O recozimento térmico do carbono após a deposição o converte em uma forma grafítica cristalina que melhora significativamente a condutividade elétrica.
p "Átomo por átomo, podemos construir a conexão onde o feixe de elétrons atinge bem perto da extremidade aberta dos nanotubos de carbono, "Fedorov explicou." A maior taxa de deposição ocorre onde a concentração do precursor é alta e há muitos elétrons secundários. Isso fornece uma ferramenta de escultura em nanoescala com controle tridimensional para conectar as extremidades abertas dos nanotubos de carbono em qualquer substrato desejado. "
p Os nanotubos de carbono com várias paredes oferecem a promessa de maior taxa de transferência de entrega de informações para certas interconexões usadas em dispositivos eletrônicos. Os pesquisadores previram uma geração futura de dispositivos híbridos baseados em circuitos integrados tradicionais, mas usando interconexões baseadas em nanotubos de carbono.
p Até agora, Contudo, a resistência nas conexões entre as estruturas de carbono e a eletrônica convencional de silício tem sido muito alta para tornar os dispositivos práticos.
p "O grande desafio neste campo é fazer uma conexão não apenas a uma única camada de um nanotubo de carbono, "disse Fedorov." Se apenas a parede externa de um nanotubo de carbono estiver conectada, você realmente não ganha muito porque a maior parte do canal de transmissão é subutilizada ou não é utilizada de todo. "
p A técnica desenvolvida por Fedorov e seus colaboradores produz baixa resistividade recorde na conexão entre o nanotubo de carbono e a almofada de metal. Os pesquisadores mediram a resistência tão baixa quanto aproximadamente 100 Ohms - um fator dez menor do que o melhor que foi medido com outras técnicas de conexão.
p "Esta técnica nos dá muitas novas oportunidades para avançar na integração dessas nanoestruturas de carbono em dispositivos convencionais, "disse ele." Porque é carbono, essa interface tem uma vantagem porque suas propriedades são semelhantes às dos nanotubos de carbono aos quais eles fornecem uma conexão. "
p Os pesquisadores não sabem exatamente quantas camadas de nanotubos de carbono estão conectadas, mas com base em medições de resistência, eles acreditam que pelo menos 10 dos aproximadamente 30 invólucros condutores estão contribuindo para a condução elétrica.
p Contudo, o manuseio de nanotubos de carbono representa um desafio significativo para seu uso como interconexões. Quando formado por meio da técnica do arco elétrico, por exemplo, nanotubos de carbono são produzidos como um emaranhado de estruturas com comprimentos e propriedades variados, alguns com defeitos mecânicos. Técnicas foram desenvolvidas para separar nanotubos individuais, e para abrir suas extremidades.
p Fedorov e seus colaboradores - atuais e ex-alunos de graduação Songkil Kim, Dhaval Kulkarni, Konrad Rykaczewski e Mathias Henry, junto com o professor Vladimir Tsukruk da Georgia Tech - desenvolveu um método para alinhar os nanotubos de paredes múltiplas através de contatos eletrônicos usando campos elétricos focados em combinação com um modelo de substrato criado por litografia de feixe de elétrons. O processo tem um rendimento significativamente melhorado de nanotubos de carbono devidamente alinhados, com potencial para escalabilidade em uma grande área de chip.
p Uma vez que os nanotubos são colocados em suas posições, o carbono é depositado usando o processo EBID, seguido de grafitização. A transformação de fase na interface de carbono é monitorada usando espectroscopia Raman para garantir que o material seja transformado em seu estado de grafite nanocristalino ideal.
p “Somente avançando em cada uma dessas áreas poderemos alcançar esse avanço tecnológico, que é uma tecnologia capacitadora para nanoeletrônica baseada em materiais de carbono, "disse ele." Este é realmente um passo crítico para fazer muitos tipos diferentes de dispositivos usando nanotubos de carbono ou grafeno. "
p Antes que a nova técnica possa ser usada em grande escala, os pesquisadores terão que melhorar sua técnica para alinhar nanotubos de carbono e desenvolver sistemas EBID capazes de depositar conectores em vários dispositivos simultaneamente. Avanços em sistemas de feixe de elétrons paralelos podem fornecer uma maneira de produzir em massa as conexões, Fedorov disse.
p “Resta muito trabalho a ser feito nesta área, mas acreditamos que isso é possível se a indústria se interessar, "Ele observou." Existem aplicações em que a integração de nanotubos de carbono em circuitos pode ser muito atraente.
