(Phys.org) —Utilizando un nuevo método para controlar con precisión la deposición de carbono, Los investigadores han demostrado una técnica para conectar nanotubos de carbono de paredes múltiples a las almohadillas metálicas de los circuitos integrados sin la alta resistencia de interfaz producida por las técnicas de fabricación tradicionales.

Basado en la deposición inducida por haz de electrones (EBID), Se cree que el trabajo es el primero en conectar múltiples carcasas de un nanotubo de carbono de paredes múltiples a terminales de metal en un sustrato semiconductor. que es relevante para la fabricación de circuitos integrados. Usando esta técnica de fabricación tridimensional, investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia desarrollaron nanouniones de grafito en ambos extremos de los nanotubos de carbono de paredes múltiples, lo que produjo una disminución de 10 veces en la resistividad en su conexión con las uniones metálicas.

La técnica podría facilitar la integración de nanotubos de carbono como interconexiones en circuitos integrados de próxima generación que utilizan componentes tanto de silicio como de carbono. La investigación fue apoyada por Semiconductor Research Corporation, y en sus primeras etapas, por la National Science Foundation. El trabajo se informó en línea el 4 de octubre de 2012, por la revista IEEE Transactions on Nanotechnology.

"Por primera vez, Hemos establecido conexiones con múltiples capas de nanotubos de carbono con una técnica que se puede integrar con procesos de microfabricación de circuitos integrados convencionales. "dijo Andrei Fedorov, profesor de la Escuela de Ingeniería Mecánica George W. Woodruff en Georgia Tech. "La conexión a varias carcasas nos permite reducir drásticamente la resistencia y pasar al siguiente nivel de rendimiento del dispositivo".

Al desarrollar la nueva técnica, los investigadores confiaron en el modelado para guiar sus parámetros de proceso. Para hacerlo escalable para la fabricación, también trabajaron en tecnologías para aislar y alinear nanotubos de carbono individuales entre los terminales de metal en un sustrato de silicio, y para examinar las propiedades de las estructuras resultantes. Los investigadores creen que la técnica también podría usarse para conectar grafeno multicapa a contactos metálicos. aunque su investigación publicada hasta ahora se ha centrado en los nanotubos de carbono.

El proceso EBID de baja temperatura se lleva a cabo en un sistema de microscopio electrónico de barrido (SEM) modificado para la deposición de material. La cámara de vacío del SEM se modifica para introducir precursores de los materiales que los investigadores quisieran depositar. El cañón de electrones normalmente utilizado para la formación de imágenes de nanoestructuras se utiliza en cambio para generar electrones secundarios de baja energía cuando los electrones primarios de alta energía chocan contra el sustrato en ubicaciones cuidadosamente elegidas. Cuando los electrones secundarios interactúan con las moléculas precursoras de hidrocarburos introducidas en la cámara SEM, el carbono se deposita en los lugares deseados.

Único en el proceso EBID, el carbono depositado hace un fuerte, conexión químicamente unida a los extremos de los nanotubos de carbono, a diferencia de la interfaz física débilmente acoplada realizada en técnicas tradicionales basadas en la evaporación de metales. Antes de la deposición, los extremos de los nanotubos se abren mediante un proceso de grabado, por lo que el carbono depositado crece en el extremo abierto del nanotubo para conectar electrónicamente múltiples capas. El recocido térmico del carbono después de la deposición lo convierte en una forma grafítica cristalina que mejora significativamente la conductividad eléctrica.

"Átomo por átomo, podemos construir la conexión donde el haz de electrones golpea cerca del extremo abierto de los nanotubos de carbono, "Explicó Fedorov." La tasa más alta de deposición ocurre donde la concentración de precursor es alta y hay muchos electrones secundarios. Esto proporciona una herramienta de escultura a nanoescala con control tridimensional para conectar los extremos abiertos de los nanotubos de carbono en cualquier sustrato deseado ".

Los nanotubos de carbono de paredes múltiples ofrecen la promesa de un mayor rendimiento de entrega de información para ciertas interconexiones utilizadas en dispositivos electrónicos. Los investigadores han imaginado una generación futura de dispositivos híbridos basados ​​en circuitos integrados tradicionales pero utilizando interconexiones basadas en nanotubos de carbono.

Hasta ahora, sin embargo, La resistencia en las conexiones entre las estructuras de carbono y la electrónica de silicio convencional ha sido demasiado alta para que los dispositivos sean prácticos.

"El gran desafío en este campo es hacer una conexión no solo con una sola capa de un nanotubo de carbono, "dijo Fedorov." Si sólo la pared exterior de un nanotubo de carbono está conectada, realmente no se gana mucho porque la mayor parte del canal de transmisión está infrautilizado o no se utiliza en absoluto ".

La técnica desarrollada por Fedorov y sus colaboradores produce una resistividad récord baja en la conexión entre el nanotubo de carbono y la almohadilla de metal. Los investigadores han medido una resistencia tan baja como aproximadamente 100 ohmios, un factor diez por debajo del mejor que se había medido con otras técnicas de conexión.

"Esta técnica nos brinda muchas oportunidades nuevas para seguir adelante con la integración de estas nanoestructuras de carbono en dispositivos convencionales, ", dijo." Porque es carbono, esta interfaz tiene una ventaja porque sus propiedades son similares a las de los nanotubos de carbono a los que proporcionan una conexión ".

Los investigadores no saben exactamente cuántas capas de nanotubos de carbono están conectadas, pero basado en medidas de resistencia, creen que al menos 10 de las aproximadamente 30 capas conductoras están contribuyendo a la conducción eléctrica.

Sin embargo, la manipulación de nanotubos de carbono plantea un desafío importante para su uso como interconexiones. Cuando se forma mediante la técnica del arco eléctrico, por ejemplo, Los nanotubos de carbono se producen como una maraña de estructuras con diferentes longitudes y propiedades, algunos con defectos mecánicos. Se han desarrollado técnicas para separar nanotubos individuales, y abrir sus extremos.

Fedorov y sus colaboradores - estudiantes graduados actuales y anteriores Songkil Kim, Dhaval Kulkarni, Konrad Rykaczewski y Mathias Henry, Junto con el profesor de Georgia Tech, Vladimir Tsukruk, desarrollaron un método para alinear los nanotubos de paredes múltiples a través de contactos electrónicos utilizando campos eléctricos enfocados en combinación con una plantilla de sustrato creada a través de la litografía por haz de electrones. El proceso tiene un rendimiento significativamente mejorado de nanotubos de carbono correctamente alineados, con potencial de escalabilidad en un área de chip grande.

Una vez que los nanotubos se colocan en sus posiciones, el carbono se deposita mediante el proceso EBID, seguido de grafitización. La transformación de fase en la interfaz de carbono se controla mediante espectroscopía Raman para garantizar que el material se transforme en su estado óptimo de grafito nanocristalino.

"Solo avanzando en cada una de estas áreas podremos lograr este avance tecnológico, que es una tecnología habilitadora para la nanoelectrónica basada en materiales de carbono, ", dijo." Este es realmente un paso crítico para hacer muchos tipos diferentes de dispositivos utilizando nanotubos de carbono o grafeno ".

Antes de que la nueva técnica pueda utilizarse a gran escala, los investigadores deberán mejorar su técnica para alinear nanotubos de carbono y desarrollar sistemas EBID capaces de depositar conectores en múltiples dispositivos simultáneamente. Los avances en los sistemas de haces de electrones en paralelo pueden proporcionar una forma de producir en masa las conexiones, Dijo Fedorov.

"Queda mucho trabajo por hacer en esta área, pero creemos que esto es posible si la industria se interesa, ", señaló." Hay aplicaciones en las que la integración de nanotubos de carbono en circuitos podría ser muy atractiva ".