Erforschung neuer Materialklassen, um mit dem Mooreschen Gesetz Schritt zu halten

Eine lange

Fakultät für Ingenieurwissenschaften der University of Virginia und Nordwestliche Universität Forscher entwickeln eine neue elektrische Isolierung auf Polymerbasis für Schaltkreise, die dazu beitragen kann, mehr Leistung in kleinere Räume zu bringen.

Fortschritte auf dem Gebiet der integrierten Schaltungen werden die Geschwindigkeiten erreichen oder übertreffen, die der ehemalige Intel-CEO und Mitbegründer Gordon Moore gezeigt hat, der sagte, dass sich die Anzahl der elektronischen Komponenten oder Transistoren pro integrierter Schaltung verdoppeln wird. , Gemessen durch Verzögerung. Jedes Jahr. Das war vor mehr als 50 Jahren und überraschenderweise wurde seine Vorhersage, die heute Moores Gesetz genannt wird, wahr.

In den letzten Jahren ging man davon aus, dass sich das Tempo verlangsamen würde. Eine der größten Herausforderungen, um mehr Schaltungen und Leistung in kleinere Chips zu stecken, ist das Wärmemanagement.

Interdisziplinäre Gruppen, darunter Patrick E. Hopkins, Professor für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik an der University of Virginia und Höflichkeitsbesuch am Department of Materials Science, und Wildichtel, Professor für Chemie an der University of Northwestern, sind geschrumpft. Eine neue Materialklasse, die dazu beitragen kann, den Chip zu kühlen, während er weitergeht, und das Mooresche Gesetz aufrechterhält. Ihre Arbeit wurde kürzlich veröffentlicht Naturmaterialien..

Das elektrische Isolationsmaterial, das das elektrische Übersprechen des Chips minimiert, ist „low-k“Dielektrikum. Dieser Materialtyp ist ein stiller Held, der es allen elektronischen Geräten ermöglicht, elektrische Ströme zu manipulieren, um Signalerosion und Interferenzen zu beseitigen. Im Idealfall kann er auch die durch den Strom erzeugte schädliche Wärme aus dem Stromkreis ziehen. Wenn der Chip kleiner wird, wird das Wärmeproblem exponentiell. Dies liegt daran, dass in einem bestimmten Bereich nicht nur mehr Transistoren vorhanden sind, sondern auch mehr Wärme in demselben Bereich erzeugt wird, sondern sie auch näher beieinander liegen, was die Wärmeableitung erschwert.

Impedanzmessungen mit parallelen Plattenkondensatoren bestätigen niedrigen COF-5-k Dielektrikum. Bildnachweis: Austin Evans

„Wissenschaftler haben nach niedrigen Preisen gesuchtk Ein dielektrisches Material, das die Wärmeübertragung und Platzprobleme bewältigen kann, die in viel kleineren Maßstäben inhärent sind“, sagt Hopkins. „Wir haben einen langen Weg zurückgelegt, aber wenn wir nicht Disziplinen kombinieren, werden neue Durchbrüche nicht passieren. Dieses Projekt umfasst Forschung in mehreren Disziplinen, darunter Maschinenbau, Chemie, Materialwissenschaften und Elektrotechnik. Wir haben das Prinzip genutzt, um ein sehr schwieriges Problem zu lösen, das keiner von uns alleine lösen könnte. “

Hopkins ist einer der Marktführer in der Multifunctional Materials Integration Initiative von UVA Engineering, die Forscher aus mehreren Ingenieurdisziplinen zusammenbringt, um Materialien mit einer Vielzahl von Fähigkeiten zu entwickeln.

„Meine „Probleme durch die Linse eines anderen in einem anderen Bereich zu betrachten“, ist nicht nur faszinierend, sondern auch Ideengeber, die letztendlich Fortschritte bringen. Ich denke, wir alle haben diese Erfahrung gemacht “, sagte Ashutosh Giri, ein ehemaliger leitender UVA-Ingenieurwissenschaftler mit Doktortitel. Ein Student in Hopkins’ Labor, Mitautor einer Abhandlung über Nature Materials und Assistenzprofessor für Maschinenbau, Industrie und Systemtechnik an der University of Rhode Island.

„Der Fokus des Projekts lag darauf, dass das Chemieteam die thermische Funktion des Materials erkannte, eine neue Dimension der Arbeit verstand und das Mechanik- und Materialteam das in der Chemie mögliche Niveau der Molekulartechnik verstand“, sagte Giri. Ich bin.

„Wir nehmen nur eine Polymerfolie Atom Dick, das nennt man 2D, kontrolliert diese Eigenschaften, indem es die Blätter auf einer bestimmten Architektur schichtet, sagt Dichtel. „Unsere Bemühungen, die Herstellung hochwertiger 2D-Polymerfolien zu verbessern, haben diese Zusammenarbeit ermöglicht.“

Laut Dichtel setzt das Team diese neue Materialklasse ein, um die Anforderungen an die Miniaturisierung von Transistoren auf High-Density-Chips zu erfüllen.

„Es hat großes Potenzial für den Einsatz in der Halbleiterindustrie, der Branche, die Chips herstellt. Dieses Material hat eine niedrige oder niedrige elektrische Leitfähigkeit.k‘Und hohe Wärmeübertragungsfähigkeit’, sagte er.

Diese Kombination von Eigenschaften wurde kürzlich von der International Technology Roadmap for Semiconductors als Voraussetzung für integrierte Schaltkreise der nächsten Generation identifiziert.

淭Bei seinem Projekt stehen die thermischen Eigenschaften dieser neuen Materialklasse im Mittelpunkt, was toll ist, aber noch spannender sind die Kratzer auf der Oberfläche, sagt Austin Evans, Ph.D. Ein Student in Dichtels Labor an der Northwestern University und der erste Co-Autor einer Abhandlung über Naturmaterialien. „Die Entwicklung einer neuen Materialklasse mit einer einzigartigen Kombination von Eigenschaften hat ein erstaunliches technisches Potenzial.

„Wir erforschen diese neue Materialklasse bereits für viele Anwendungen wie die chemische Sensorik. Wenn Sie diese Materialien verwenden, welche Chemikalien und wie viel davon in der Luft enthalten sind, können Sie anhand des „Sinnes“ beurteilen, ob es diese gibt. Dies hat weitreichende Auswirkungen. Wenn Sie beispielsweise über Chemikalien in der Luft Bescheid wissen, können Sie die Lagerung, den Transport und die Verteilung von Lebensmitteln optimieren, um die globale Lebensmittelverschwendung zu reduzieren. Während wir unsere Suche fortsetzen, werden wir möglicherweise noch mehr Funktionen entdecken, die für diese neuen Materialien einzigartig sind“, sagte Evans.

Referenz: „Ultra-niedrige Wärmeleitfähigkeit-k „Dielektrikum basierend auf 2D kovalenten organischen Gerüsten“ von Austin M. Evans, Ashutosh Giri, Vinod K. Sangwan, Sangni Xun, Matthew Bartnof, Carlos G. Torres-Castanedo, Halleh B. Balch, Matthew S. Rahn, Nathan P. Body Schichten “. Bradshaw, Edon Vitaku, David W. Burke, Hong Li, Michael J. Bedzyk, Feng Wang, Jean-Luc Br茅das, Jonathan A. Malen, Alan JH McGaughey, Mark C. Hersam, William R. Dichtel, Patrick E . Hopkins, 18. März 2021 Naturmaterialien..
DOI: 10.1038 / s41563-021-00934-3

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