p Os cientistas da IBM demonstraram uma nova abordagem para a nanotecnologia de carbono que abre o caminho para a fabricação comercial de produtos dramaticamente menores, chips de computador mais rápidos e poderosos. Pela primeira vez, mais de dez mil transistores funcionais feitos de tubos de carbono de tamanho nano foram precisamente colocados e testados em um único chip usando processos de semicondutores padrão. Esses dispositivos de carbono estão prontos para substituir e superar a tecnologia de silício, permitindo uma maior miniaturização de componentes de computação e abrindo caminho para a microeletrônica do futuro. p Auxiliado pela rápida inovação ao longo de quatro décadas, a tecnologia de microprocessador de silício diminuiu continuamente em tamanho e melhorou em desempenho, conduzindo assim a revolução da tecnologia da informação. Transistores de silício, pequenos interruptores que carregam informações em um chip, foram diminuindo ano após ano, mas eles estão se aproximando de um ponto de limitação física. Suas dimensões cada vez menores, agora alcançando a nanoescala, irá proibir quaisquer ganhos de desempenho devido à natureza do silício e às leis da física. Dentro de mais algumas gerações, dimensionamento e encolhimento clássicos não produzirão mais os benefícios consideráveis ​​de menor potência, processadores de custo mais baixo e velocidade mais alta com os quais a indústria se acostumou.

p Os nanotubos de carbono representam uma nova classe de materiais semicondutores cujas propriedades elétricas são mais atraentes do que o silício, particularmente para a construção de dispositivos de transistor em nanoescala com algumas dezenas de átomos de diâmetro. Elétrons em transistores de carbono podem se mover mais facilmente do que em dispositivos baseados em silício, permitindo um transporte mais rápido de dados. Os nanotubos também têm o formato ideal para transistores em escala atômica, uma vantagem sobre o silício. Essas qualidades estão entre os motivos para substituir o transistor de silício tradicional por carbono - e juntamente com novas arquiteturas de design de chip - permitirão a inovação da computação em uma escala em miniatura para o futuro.

p A abordagem desenvolvida nos laboratórios da IBM abre caminho para a fabricação de circuitos com um grande número de transistores de nanotubos de carbono em posições de substrato predeterminadas. A capacidade de isolar nanotubos semicondutores e colocar uma alta densidade de dispositivos de carbono em um wafer é crucial para avaliar sua adequação para uma tecnologia - eventualmente mais de um bilhão de transistores serão necessários para integração futura em chips comerciais. Até agora, os cientistas foram capazes de colocar no máximo algumas centenas de dispositivos de nanotubos de carbono por vez, não quase o suficiente para abordar questões-chave para aplicações comerciais.

p "Nanotubos de carbono, nascido da química, têm sido em grande parte curiosidades de laboratório no que diz respeito às aplicações microeletrônicas. Estamos tentando os primeiros passos em direção a uma tecnologia de fabricação de transistores de nanotubos de carbono dentro de uma infraestrutura de fabricação de wafer convencional, "disse Supratik Guha, Diretor de Ciências Físicas da IBM Research. "A motivação para trabalhar com transistores de nanotubos de carbono é que em dimensões nanométricas extremamente pequenas, eles superam os transistores feitos de qualquer outro material. Contudo, há desafios a serem enfrentados, como a pureza ultra-alta dos nanotubos de carbono e a colocação deliberada em nanoescala. Temos feito avanços significativos em ambos. "

p Originalmente estudado para a física que surge de suas dimensões e formas atômicas, nanotubos de carbono estão sendo explorados por cientistas em todo o mundo em aplicações que abrangem circuitos integrados, armazenamento e conversão de energia, sensoriamento biomédico e sequenciamento de DNA.

p Esta conquista foi publicada hoje na revista revisada por pares Nature Nanotechnology .

p The Road to Carbon

p Carbono, um elemento básico prontamente disponível a partir do qual são feitos cristais duros como diamantes e macios como a "grafite" de um lápis, tem uma ampla variedade de aplicativos de TI.

p Nanotubos de carbono são folhas atômicas únicas de carbono enroladas em um tubo. O nanotubo de carbono forma o núcleo de um dispositivo de transistor que funcionará de forma semelhante ao atual transistor de silício, mas terá um desempenho melhor. Eles podem ser usados ​​para substituir os transistores em chips que alimentam nossos servidores de processamento de dados, computadores de alto desempenho e telefones inteligentes ultrarrápidos.

p No início deste ano, Os pesquisadores da IBM demonstraram que os transistores de nanotubos de carbono podem operar como excelentes interruptores em dimensões moleculares de menos de dez nanômetros - o equivalente a 10, 000 vezes mais fino do que um fio de cabelo humano e menos da metade do tamanho da tecnologia de silício líder. A modelagem abrangente dos circuitos eletrônicos sugere que é possível uma melhora de cerca de cinco a dez vezes no desempenho em comparação com os circuitos de silício.

p Existem desafios práticos para os nanotubos de carbono se tornarem uma tecnologia comercial, notavelmente, como mencionado anteriormente, devido à pureza e posicionamento dos dispositivos. Os nanotubos de carbono vêm naturalmente como uma mistura de espécies metálicas e semicondutoras e precisam ser colocados perfeitamente na superfície do wafer para fazer os circuitos eletrônicos. Para operação do dispositivo, apenas o tipo de tubos semicondutores é útil, o que requer essencialmente a remoção completa dos tubos metálicos para evitar erros nos circuitos. Também, para que a integração em grande escala aconteça, é fundamental ser capaz de controlar o alinhamento e a localização dos dispositivos de nanotubos de carbono em um substrato.

p Para superar essas barreiras, Os pesquisadores da IBM desenvolveram um novo método baseado na química de troca iônica que permite a colocação precisa e controlada de nanotubos de carbono alinhados em um substrato em alta densidade - duas ordens de magnitude maior do que os experimentos anteriores, permitindo a colocação controlada de nanotubos individuais com uma densidade de cerca de um bilhão por centímetro quadrado.

p O processo começa com nanotubos de carbono misturados com um surfactante, uma espécie de sabão que os torna solúveis em água. Um substrato é composto de dois óxidos com trincheiras feitas de óxido de háfnio quimicamente modificado (HfO ₂ ) e o resto do óxido de silício (SiO ₂ ) O substrato fica imerso na solução de nanotubos de carbono e os nanotubos se fixam por meio de uma ligação química ao HfO ₂ regiões enquanto o resto da superfície permanece limpo.

p Ao combinar química, experiência em processamento e engenharia, Os pesquisadores da IBM são capazes de fabricar mais de dez mil transistores em um único chip.

p Além disso, rapid testing of thousands of devices is possible using high volume characterization tools due to compatibility to standard commercial processes.

p As this new placement technique can be readily implemented, involving common chemicals and existing semiconductor fabrication, it will allow the industry to work with carbon nanotubes at a greater scale and deliver further innovation for carbon electronics.