(Phys.org)—En utilisant une nouvelle méthode pour contrôler avec précision le dépôt de carbone, les chercheurs ont démontré une technique pour connecter des nanotubes de carbone à parois multiples aux plots métalliques de circuits intégrés sans la résistance d'interface élevée produite par les techniques de fabrication traditionnelles.
Basé sur le dépôt induit par faisceau d'électrons (EBID), on pense que le travail est le premier à connecter plusieurs coques d'un nanotube de carbone à parois multiples à des bornes métalliques sur un substrat semi-conducteur, ce qui est pertinent pour la fabrication de circuits intégrés. En utilisant cette technique de fabrication en trois dimensions, des chercheurs du Georgia Institute of Technology ont développé des nanojoints graphitiques aux deux extrémités des nanotubes de carbone à parois multiples, qui a donné une diminution de 10 fois de la résistivité dans sa connexion aux jonctions métalliques.
La technique pourrait faciliter l'intégration de nanotubes de carbone en tant qu'interconnexions dans les circuits intégrés de nouvelle génération qui utilisent à la fois des composants en silicium et en carbone. La recherche a été soutenue par la Semiconductor Research Corporation, et à ses débuts, par la Fondation nationale des sciences. Le travail a été signalé en ligne le 4 octobre 2012, par la revue IEEE Transactions on Nanotechnology.
"Pour la première fois, nous avons établi des connexions à plusieurs coques de nanotubes de carbone avec une technique qui se prête à l'intégration avec les procédés classiques de microfabrication de circuits intégrés, " a déclaré Andreï Fedorov, professeur à la George W. Woodruff School of Mechanical Engineering de Georgia Tech. "La connexion à plusieurs coques nous permet de réduire considérablement la résistance et de passer au niveau supérieur de performance de l'appareil."
En développant la nouvelle technique, les chercheurs se sont appuyés sur la modélisation pour guider leurs paramètres de processus. Pour le rendre évolutif pour la fabrication, ils ont également travaillé sur des technologies pour isoler et aligner des nanotubes de carbone individuels entre les bornes métalliques sur un substrat de silicium, et pour examiner les propriétés des structures résultantes. Les chercheurs pensent que la technique pourrait également être utilisée pour connecter du graphène multicouche à des contacts métalliques, bien que leurs recherches publiées se soient jusqu'à présent concentrées sur les nanotubes de carbone.
Le processus EBID à basse température a lieu dans un système de microscope électronique à balayage (MEB) modifié pour le dépôt de matériau. La chambre à vide du SEM est modifiée pour introduire des précurseurs des matériaux que les chercheurs souhaitent déposer. Le canon à électrons normalement utilisé pour l'imagerie des nanostructures est plutôt utilisé pour générer des électrons secondaires de faible énergie lorsque les électrons primaires de haute énergie frappent le substrat à des emplacements soigneusement choisis. Lorsque les électrons secondaires interagissent avec les molécules précurseurs d'hydrocarbures introduites dans la chambre SEM, le carbone se dépose aux endroits souhaités.
Unique au processus EBID, le carbone déposé fait un fort, liaison chimique aux extrémités des nanotubes de carbone, contrairement à l'interface physique faiblement couplée réalisée dans les techniques traditionnelles basées sur l'évaporation du métal. Avant le dépôt, les extrémités des nanotubes sont ouvertes par un procédé de gravure, de sorte que le carbone déposé se développe dans l'extrémité ouverte du nanotube pour connecter électroniquement plusieurs coques. Le recuit thermique du carbone après dépôt le convertit en une forme graphitique cristalline qui améliore considérablement la conductivité électrique.
"Atome par atome, nous pouvons construire la connexion où le faisceau d'électrons frappe juste à côté de l'extrémité ouverte des nanotubes de carbone, " Fedorov a expliqué. "Le taux de dépôt le plus élevé se produit là où la concentration de précurseur est élevée et il y a beaucoup d'électrons secondaires. Cela fournit un outil de sculpture à l'échelle nanométrique avec un contrôle tridimensionnel pour connecter les extrémités ouvertes des nanotubes de carbone sur n'importe quel substrat souhaité."
Les nanotubes de carbone à parois multiples offrent la promesse d'un débit de livraison d'informations plus élevé pour certaines interconnexions utilisées dans les appareils électroniques. Les chercheurs ont imaginé une future génération de dispositifs hybrides basés sur des circuits intégrés traditionnels mais utilisant des interconnexions à base de nanotubes de carbone.
Jusqu'à maintenant, cependant, la résistance au niveau des connexions entre les structures en carbone et l'électronique conventionnelle en silicium a été trop élevée pour rendre les dispositifs pratiques.
"Le grand défi dans ce domaine est de faire une connexion non seulement à une seule enveloppe d'un nanotube de carbone, " a déclaré Fedorov. "Si seulement la paroi externe d'un nanotube de carbone est connectée, vous ne gagnez vraiment pas grand-chose car la plupart des canaux de transmission sont sous-utilisés ou pas du tout utilisés."
La technique développée par Fedorov et ses collaborateurs produit une faible résistivité record au niveau de la connexion entre le nanotube de carbone et le plot métallique. Les chercheurs ont mesuré une résistance aussi basse qu'environ 100 Ohms - un facteur dix de moins que le meilleur qui avait été mesuré avec d'autres techniques de connexion.
« Cette technique nous offre de nombreuses nouvelles opportunités pour aller de l'avant avec l'intégration de ces nanostructures de carbone dans des dispositifs conventionnels, " dit-il. " Parce que c'est du carbone, cette interface présente un avantage car ses propriétés sont similaires à celles des nanotubes de carbone auxquels elles assurent une connexion.
Les chercheurs ne savent pas exactement combien de coques de nanotubes de carbone sont connectées, mais basé sur des mesures de résistance, ils pensent qu'au moins 10 des quelque 30 coques conductrices contribuent à la conduction électrique.
Cependant, la manipulation des nanotubes de carbone pose un défi important à leur utilisation comme interconnexions. Lorsqu'il est formé par la technique de l'arc électrique, par exemple, les nanotubes de carbone sont produits sous la forme d'un enchevêtrement de structures de longueurs et de propriétés variables, certains avec des défauts mécaniques. Des techniques ont été développées pour séparer des nanotubes isolés, et d'ouvrir leurs extrémités.
Fedorov et ses collaborateurs - actuels et anciens étudiants diplômés Songkil Kim, Dhaval Kulkarni, Konrad Rykaczewski et Mathias Henry, avec le professeur de Georgia Tech Vladimir Tsukruk - a développé une méthode pour aligner les nanotubes à parois multiples à travers des contacts électroniques en utilisant des champs électriques focalisés en combinaison avec un modèle de substrat créé par lithographie par faisceau d'électrons. Le procédé a un rendement considérablement amélioré de nanotubes de carbone correctement alignés, avec un potentiel d'évolutivité sur une grande surface de puce.
Une fois les nanotubes mis en place, le carbone est déposé selon le procédé EBID, suivi d'une graphitisation. La transformation de phase dans l'interface carbone est surveillée à l'aide de la spectroscopie Raman pour s'assurer que le matériau est transformé dans son état de graphite nanocristallin optimal.
"Ce n'est qu'en faisant des progrès dans chacun de ces domaines que nous pourrons réaliser cette avancée technologique, qui est une technologie habilitante pour la nanoélectronique basée sur des matériaux carbonés, ", a-t-il déclaré. "C'est vraiment une étape critique pour fabriquer de nombreux types d'appareils différents utilisant des nanotubes de carbone ou du graphène."
Avant que la nouvelle technique puisse être utilisée à grande échelle, les chercheurs devront améliorer leur technique d'alignement des nanotubes de carbone et développer des systèmes EBID capables de déposer des connecteurs sur plusieurs appareils simultanément. Les progrès dans les systèmes de faisceaux d'électrons parallèles peuvent fournir un moyen de produire en masse les connexions, dit Fedorov.
« Un travail important reste à faire dans ce domaine, mais nous pensons que cela est possible si l'industrie s'y intéresse, " a-t-il noté. " Il existe des applications où l'intégration de nanotubes de carbone dans des circuits pourrait être très attrayante. "
