Veijo Hänninen

Elektroniikka ja hiilinanoputket

Ennen grafeenia hiilinanoputket olivat aikansa ihmemateriaali ja siitä povattiin jo silloin seuraajaa piielektroniikalle.

Grafeenin vallatessa ihmemateriaalin tittelin hiilinanoputket ovat jääneet vähäisemmälle huomiolle. Kuitenkin niillä on jo muutamia käytännöllisiäkin sovelluksia elektroniikan ja sähkötekniikan aloilla.

hiilinanoputket-ibm-sem-of-cnt-substrate-250.jpgTieteen maailmaan hiilinanoputket ilmestyivät jo 1990-luvulla ja jo ennen vuosituhannen vaihtoa tutkimuslaboratorioissa esiteliin ensimmäiset niitä hyödyntävät transistorit.

Ensimmäinen integroitu muistipiiri esiteltiin vuonna 2004 ja alkeellinen tietokone 2013. Tämä Stanfordin yliopiston kehittämä tietokone sisälsi 178 transistoria, jotka muodostettiin useista kymmenistä tuhansista hiilinanoputkista.

Vuonna 2012 IBM:n tutkijat onnistuvat kokoamaan yli kymmenen tuhatta yksittäisistä hiilinanoputkista muodostuvaa transistoria piialustalle standardin puolijohdeprosessin avulla.

Transistoreita

Alkuun hiilinanoputkisten transistoreiden kehiteyksessä puolijohtavien hiilinanoputkien erottaminen metallimaisen oikosulkevista versioista oli kantona kaskessa. Sittemmin tutkija ovat taistelleet nanputkien sijoittelun ja sopivan pakkaustiheyden suhteen.

Nanoputkien vaihtelut aiheuttavat satunnaisuutta metallimaiset nanoputket aiheuttavat oikosulkuja mikä kasvattaa vuototehoa ja altistaa kohinalle.

Kuitenkin esimerkiksi yllä mainittu Stanfordin tietokonesaavutus hyödynsi epätäydellisyydelle immuunia suunnittelutekniikka. Eli piiri toimii vaikka kaikki hiilinanoputket eivät olisi aivan linjassaan ja että joukossa olisi jokunen metallimainenkin nanoputki.

Juotos tehostaa

Ensimmäiset hiilinanoputkitransistorit olivat tutkimuslaboratorioissa koottuja yksittäisiin lankoihin perustuvia rakenteita. Enemmän käytäntöön suuntautuviin piireihin sellaiset ovat liian kalliita.

hiilinanoputket-illinois-nanosoldering-150-t.jpgVaativimmissa tavoitteissa putket pyritään linjaamaan riittävän tiheästi mutta muissa tapauksissa riittää sekaisempikin läjä. Sellaisen suorituskykyä rajoittaa kuitenkin yksittäisten ristikkäisten nanoputkikontaktien korkea resistanssi.

Koska risteyskohdassa on resistanssia putkien kosketuskohdat toisiinsa kuumenevat, kun virta kulkee sen läpi.

Kehittäjät ovatkin hyödyntäneet ilmiötä tuottamaan metallijuotoksen kuumentuneeseen kohtaa. Näin risteyskohtaan syntyy juotosliitos ja sen resistanssi pienenee.

Parhaat puolet yhdistäen

Kesällä 2014 University of Southern Californian Viterbi School of Engineeringin tutkijat kertoivat kehittäneensä hybridipiirin, jossa yhdistyvät hiilinanoputkiset ja metallioksidiset ohutkalvotransistorit.

hiilinanoputket-usc-viterbi-hybrid-cnt-igzo-240-t.jpgKehitettyyn piiriin on integroitu hiilinanoputkisia p-tyypin ohutkalvotransistoreita (TFT) ja n-tyypin ohutkalvotransistoreita, jotka koostuvat indiumista, galliumista ja sinkkioksidista (IGZO).

Hiilinanoputkista on saatu aikaan hyviä p-tyypin transistoreita mutta vastaavan n-tyypin tuottaminen on ollut vaikea. Toisaalta hyvien p-tyypin metallioksiditransistoreiden aikaansaaminen on ollut vaikea.

Näin saatiin aikaan komplementaarisia transistoreita ja niistä piirejä, joilla on parempi piiritekninen tehokkuus.

Mahdollisia sovelluksia tällaisille hybrideille piireille ovat muun muassa orgaaniset valoa emittoivat diodit (OLED), digitaaliset piirit, RFID-tagit, anturit, puettava elektroniikka ja flash-muistit.

Hyviä hiiliputkitransistoreita

Tammikuussa 2015 University of Wisconsin-Madisonin materiaali-insinöörit kehuivat tehneensä tehokkaimmat hiilinanoputkisiset transistorit, mitä koskaan osoitettu.

Heidän transistoreiden on-off-suhde on yli tuhat kertaa parempi ja johtokyky sata kertaa parempi kuin aiempi hiilinanoputkitransistoreiden ennätys.

Ryhmä hyödynsi tekniikkaa, jossa käytetään polymeerejä lajittelemaan puolijohtavat nanoputket erilleen muun tyyppisistä ja se saa ne myös asettumaan hyvin linjautuneiksi ryhmiksi.

Tutkijoiden mukaan heidän hiilinanoputkitransistoreilla on kertaluokkaa parempi konduktanssi kuin parhailla kaupallisilla ohutkalvotransistoreilla.

Tutkijoiden näistä aineksista koostama fetti saavuttaa myötäsuuntaisen johtokyvyn (Gon) per leveys 261 μS/μm sekä on-off-suhteen (Gon/Goff) 2 × 105 kanavapituudelle 240 nanometriä.

Lähempänä käytännön tekniikkaa

Yksiseinämäisiin hiilinanoputkiin perustuvat transistorit tunnustetaan jo yhdeksi kärkiehdokkaiksi tulevaisuuden mikroprosessorien perustaksi koska ne lupailevat parempaa suorituskykyä ja skaalausominaisuuksia kuin perinteinen piiteknologia.

Hiilinanoputkiin perustuvan nanoteknisen elektroniikan käyttöönoton vaatimaa piiritason yhdenmukaisuutta on kuitenkin ollut vaikea saavuttaa.

Aivan äskettäin IBM:n tutkijat Yhdysvalloissa ovat kuitenkin yksilöineet keskeisen tekijän hiilinanoputkisten transistoreiden rakenteiden vaihteluille ja löytäneet tapoja vähentää sitä.

Helmikuussa julkaistu tutkimus osoitti, että vaihtelu ei ole peräisin itse nanoputkista vaan se on todennäköisesti eristemateriaalin prosessiin liittyvä ongelma, joka voidaan eliminoida paremmalla valmistusprosessilla.

Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää hiilinanoputkiset transistorit käytännön tekniikkaan sopiviksi ja mutta kehitystyön ongelmina ovat edelleen käytännön piireissä tarvittavat erilaiset kontaktipinnat.

Kerrostekniikan perustana

Hiilinanoputket tuottavat myös uudenlaista näkemystä mikropiirien toteuttamisesta.

Stanfordin yliopistossa toiminut tutkijaryhmä on lähtenyt rakentamaan sirupiiritekniikkaa korkeussuuntaan.

hiilinanoputket-standford-kerros-300.jpgAjatuksena on luoda tuhansia kerrokset toisiinsa liittäviä johteita, jotka siirtävät dataa kerrosten välillä paljon nopeammin ja vähemmällä sähkön käytöllä kuin pullonkaula-alttiit johtimet yhden kerroksen logiikka- ja muistipiireissä nykyään.

Innovaatiossa hyödynnetään kolmea läpimurtoja. Ensimmäinen on luoda riittävän tehokkaita hiiliputkisia transistoreita. Toinen on muistitekniikka, joka soveltuu monikerroksiseen valmistukseen. Kolmas on sitten koota näitä logiikan ja muistin tekniikoita pystysuuntaisiksi rakenteiksi.

Vaikka viimeisimmässä IEDM-tapahtumassa esitelty tutkimus on alkuvaiheessa niin tutkijoiden mukaan suunnittelu- ja valmistustekniikat ovat skaalautuvia ja edelleen kehitettynä tämä arkkitehtuuri voisi johtaa tietokoneen suorituskykyyn, joka on paljon suurempi kuin mitä on saatavilla tänään.

Tekniikan toteuttamiseksi tutkijat kehittivät alan suorituskykyisimmät hiiilinanoputkitransistorit. Ne saatiin aikaan pakkaamalla riittävästi hiilinanoputkia tarvittavalle alalle. Tähän päästiin toistamalla kasvatusprosessi 13 kertaa ja siirtämällä kasvatettu kerros piikiekolle. Tämä onnistui jopa yksinkertaisemmilla laitteilla kuin kaupallisissa valmistuslaitoksissa.

Tästä piikiekosta tuli siten perusta korkealle kerrostalosirulle. Sen päälle he valmistivat muistipiirit Standfordissa jo aiemmin kehitetyllä metalli/oksidi/metalli kerroksen -tekniikalla. Tämän vähän energiaa käyttävän RRAM-muistin resistanssia voidaan vaihtaa sähkökentän suunnan vaihdolla.

RRAM-muistin keskeinen etu tässä kerrosrakenteessa on, että se voidaan valmistaa alhaisemmissa lämpötiloissa kuin piimuisti. Siten se voidaan valmistaa hiiliputkitransistoreista koostuvan logiikkakerroksen päälle.

Perinteistä piipohjaista logiikkaa ja muistia ei voi liittää toisiinsa kerrostamalla sillä piin käsittelyssä tarvitaan 1000 asteen lämpötiloja, mikä sulattaisi alla olevat piirit.

Muistipiirejä hiilinanoputkista

Hiilinanoputkia käytetään jo käytännön muistipiireissä vaikka niitä ei vielä kuluttajamarkkinoilla näykään.

hiilinanoputket-nantero-nram2.jpgYhdysvaltalainen Nanteron NRAM-muistien perusta on hiilinanoputkista uutettu matto, jonka hieman erilleen sojottavien nanoputkien päitä kytketään ja avataan, jolloin maton kokonaisresistanssi muuttuu. Bitin eli resistanssin muutos saadaan aikaan kirjoituspulssin hallituilla jännitteillä ja virroilla ja valittu tila pysyy ilman jännitettä.

Nanoputkien päät ovat niin lähellä muita putkia, että niihin vaikuttavat Van der Waalsin voimat ja toisaalta nanoputkilla on niin suuri jäykkyys, että ohjaamattomina ne pysyvät asennossaan.

NRAM on huomattavasti nopeampaa ja tiheämpää kuin DRAM ja sillä on olennaisesti pienempi tehonkulutus kuin DRAM:lla tai flashilla ja sillä on erittäin vahva ympäristösietoisuus (kuumuus, kylmyys, magnetismi).

NRAM-muistisolut niihin kuuluvine oheiselementteineen eivät vaadi puolijohdesubstraattia joten useita tasoja NRAM-matriiseja voidaan kerrostaa päällekkäin eristävillä välikerroksilla. Näin ne voidaan toteuttaa helposti myös kolmiulotteisina rakenteina vaikkapa tavanomaisella CMOS-prosessilla.

Kesällä 2014 yhtiö kertoi kehittäneensä muistilleen uuden kirjoitusprosessin, mikä parantaa muistin käyttöikää yli 10 11 kirjoitus/pyyhintä jaksoon. Se on noin 10 miljoonaa kertaa parempi kuin flash-muistilla. Bitin vaihdon muutos on yli 10 000 prosenttia, joten voisi olla mahdollista toteuttaa monitasoinen muistisolutoiminta kuten flash-muistissa.

Nantero aikoo myös pienentää NRAM muistisolunsa nykyistä 140 nanometrin kokoa noin 10 nanometriin ja sillä tavoitteena on luoda gigabittien muistipiirejä. Siten niillä olisi mahdollista korvata DRAM päämuistissa ja SSD/HDD-tallennuksen yleiskäyttöisenä muistina.

Joustavia hiilinanopiirejä

Hiilinanorakenteiden käyttö läpinäkyvien ja joustavien rakenteiden johteina on jo arkipäivää.

Esimerkiksi Helsingin yliopistolla aikoinaan kehitetty nanonuppu-teknologia on jo kaupallisten sovellusten tasolla. Tekniikka mahdollistaa johtavan ja läpinäkyvän kalvon jossa ei ole heijastuksia kuten ITO-tekniikkaan perustuvissa kalvoissa.

Myös Aalto-yliopiston saavutuksiin yhdessä Nagoyan yliopiston kanssa kuuluu täysin hiilinanoputkista tuotetut integroidut piirit, joissa kanavatransistorit ja signaalireitit perustuvat yksinomaan hiilinanoputkiin.

Näille taipuisalle alustalle valmistetuille transistoreille saavutetaan jopa CMOS:in ylittäviä nopeuksia vaikka kanava on satoja mikroneita leveä, koska se on suunniteltu painotekniikalla tehtäväksi.

Nanoputket herkkinä antureina

ICFO - Institute of Photonic Science, Catalan Institute of Nanotechnology ja University of Michiganin tutkijat ovat pystyneet mittaamaan heikkoja voimia herkkyydellä, joka on 50 kertaa suurempi kuin mitä aiemmin on saavutettu.

Tutkijat kehittivät hiilinanoputkista antureita, joiden värähtelyn intensiteetti on suhteessa sähköstaattiseen voimaan ja tutkijoiden mukaan saavutus avaa oven molekyylitason magneettikuvaukselle. Perinteisen MRI-tekniikan resoluutio on muutama millimetri.

Hiilinanoputkista on kehitetty erilaisia kaasujen ilmaisuantureita

Yksinkertaisimmillaan ne perustuvat jonkin kemiallisen aineen hiilinanoputkessa aiheuttamaan resistanssin muutokseen. Hiilinanoputket mahdollistavat niiden toimia erittäin pienillä käyttöenergioilla.

Yksiputkisia hiilinanoputkisia fet-transistoreita on myös päällystetty eristävällä grafeeni-oksidi kalvolla ja sen pintaa saostettu kullan nanopartikkeleita ja näin on saatu aikaan nopea, herkkä ja selektiivinen proteiinien ja DNA:n ilmaisin.

Infrapuna-anturi hiilinanoputkista

hiilinanoputket-swnct-infrared-200.jpgRyhmä kiinalais-amerikkalaisia tutkijoita on kehittänyt erittäin herkän jäähdytystä kaipaamattoman infrapunailmaisimen yksiseinäisistä nanoputkista.

Hiilinanoputkilla on vahva ja laajakaistainen infrapunavalon absorbtiokyky, jota voidaan säädellä valitsemalla halkaisijaltaan erilaisia nanoputkia. Koska hiilinanoputkilla on myös korkea elektronien liikkuvuus, uudenlainen anturi reagoi erittäin nopeasti, käytännössä pikosekunneissa. Esimerkiksi perinteisiin HgCdTe-antureihin verrattuna uusi anturimateriaali on tutkijoiden mukaan kertaluokkaa tehokkaampi.

Uusi rakenne eliminoi näissä antureissa yleensä tarvittavan jäähdytyksen koska hiilinanoputket emittoivat huoneen lämpötilassa verrattain vähän omaa infrapunasäteilyä ja erityisesti silloin kun ne ovat jollain alustalla. Lisäksi ne ovat erittäin hyviä lämmönjohteita, joten lämpö ei kerry ilmaisimeen itseensä.

Hiilinanoputket elektrodeina

Varauksenkantajien injektion tehottomuus on keskeinen ongelma orgaanisten ohutkalvotransistorien ja biologisien järjestelmien rajapinnassa.

Eräs kansainvälinen tutkijaryhmä on osoittanut mahdollisuuden parempaan suorituskykyyn käyttämällä hiilinanoputkisia elektrodeja.

Yksiseinämäisien nanoputkiryhmien muodostamat elektrodit toimivat tehokkaana injektoijana kaikenlaisiin orgaanisiin materiaaleihin riippumatta materiaalin energiatasosta ja sillä voi injektoida sekä positiivisia että negatiivisia varauksenkuljettajina.

Parannus liikkuvuuteen oli useampia kertaluokkia suurempi kuin kultaelektrodisissa laitteissa.

Japanilaisen Tohoku Universityn tutkijat ovat kehittäneet energiatehokkaan tasomaisen valonlähteen, joka perustuu hiilinanoputkisiin elektrodeihin ja fosforiseen valoruutuun.

Rakenne toimii kuin katodisädeputket, jossa hiilinanoputket toimivat katodeina ja fosfori tyhjiöonkalossa anodina. Vahvan sähkökentän alla, katodi lähettää elektronisäteitä terävien nanoputkipiikkien kautta fosforille, saaden sen hehkumaani.

Vastaavina kenttäemission tuottajina hiilinanoputkia käytetään myös litteissä näytöissä.

Tohokun valaisinratkaisun virrankulutus vain noin 0,1 wattia tunnissa eli noin sata kertaa pienempi kuin ledillä.

Hiilinanojohtimet haastavat kuparin

Vaikka yksittäiset nanoputket pystyvät siirtämään lähes tuhat kertaa enemmän virtaa kuin kupari niin samat putket sulautuneina osaksi kuitua eivät ole erityisen hyviä johteita.

Ricen tutkijat ovat kuitenkin saaneet märkäkehrätyn hiilinanoputkien kuidun kuljettamaan jopa neljä kertaa niin paljon virtaa kuin saman massainen kuparilanka. Tällaiset nanoputkilangat sopisivat tehonsiirtoon keveyttä vaativissa järjestelmissä kuten ilmailualan sovelluksissa.

Kaupallisesti on jo saatavissa erilaisia kalvoja, nauhoja ja lankoja, joista voidaan valmistaa mekaanisesti vahvoja ja kevyitä tuotteita sekä EMI-suojia ja johtimia.

Edelleen hiilinanoputkiin perustuvien kalvotuotteiden terminen johtavuus voidaan muokata olemaan parhaimmillaan materiaalin akselisuunnassa mutta heikoimmillaan läpäisysuunnassa (Z), joten näin syntyy kevyt ja ohut terminen eriste.

Hiilinanojohtimista käämit sähkömoottoriin

hiilinanoputket-lut-cnt-moottori-kaamityksiin-250.jpgLappeenrannan teknillisessä yliopistossa (LUT) kehitettiin tiettävästi maailman ensimmäinen hiilinanojohtimia käämityksessään soveltava sähkömoottorin prototyyppi.

Hiilinanolangoilla on mahdollisuuksia parantaa sähkömoottorien energiatehokkuutta ja suorituskykyä.

Sähkökoneiden kehittämisestä moottorin suunnittelua johtanut Juha Pyrhönen näkee, että esimerkiksi suprajohtavuus ei näytä kehittyvän niin, että se voisi ratkaista sähkökoneiden häviöongelmia.

Hiili sen sijaan voi olla tässä avainasemassa: hiilikäämien käytännön johtavuus voisi olla parhaimmillaan jopa kolminkertainen kupariin nähden.

Sähkömoottoreissa myös keveys on eduksi erityisesti roottorikäämien massan kevenemisenä, jolloin kierroslukunopeutta voitaisiin kasvattaa.

Hiilinanopallot parantavat eristeitä

Hiilinanopallot eli fullereenit ovat hiilinanoputkien serkkuja ja äskettäin

Göteborgissa toimiva Chalmersin teknillisen yliopiston tutkijat ovat havainneet, että suurjännitekaapeleissa käytettävä eristysmuovi kestää jopa 26 prosenttia suurempaa jännitettä, jos siihen lisätään nanometrien kokoisia hiilipalleroita.

Yhdessä Chalmersin ja Borealis-yhtiön tutkijat ovat osoittaneet, että C60 hiilifullereenin eri versiot antavat vahvan suojan läpilyönnille.

Fullereenit estävät läpilyöntiin liittyvän vuodon muodostumista vangitsemalla elektroneja, jotka muuten tuhoaisivat muovin kemiallisia sidoksia.

Nanomekaniikkaa

Kaksiseinäisiin hiilinanoputkiin (DWNT) -perustuvilla rakenteilla, kuten laakereilla, moottoreilla ja oskillaattoreilla on potentiaalisia käyttömahdollisuuksia nanoelektromekaanisissa järjestelmissä (NEMS).

Eräässä tutkimuksessa tutkijat saivat sisemmän nanoputken pyörimään ulomman sisällä vakaasti suurilla nopeuksilla (~ 170 GHz).

Kesällä 2014 MIT:ssä toimineet tutkijat löysivät odottamattomia vaihteluita eri materiaaleista valmistettujen nanoputkien käyttäytymisestä.

He tekivät kokeita sisäkkäisillä hiilinanoputkilla ja boorinitridisillä nanoputkilla (BNNT) ja yllättäen näiden kahden ilmeisen saman tyyppisten putkien yksi keskeinen ominaisuus, kitka on lähes päinvastaista: Hiilinanoputket ovat niin liukkaita, että niitä saattoi kuvata kitkattomiksi mutta boorinitridiputkissa esiintyi erittäin korkea kitka.

Boorinitridin komponentit - boori ja typpi ovat hiilen vieressä jaksollisessa taulukossa, joten niiden ominaisuudet ovat yleensä melko samanlaisia. Ne ovat muutoin lähes samanlaisia paitsi sähköisiltä ominaisuuksiltaan. Hiilinanoputket ovat johtimia tai puolijohteita ja boorinitridiset eristeitä.

Käytännön sovelluksissa suurikitkaiset putket voisivat tutkijoiden mukaan toimia NEMS-rakenteissa eräänlaisena iskuja vaimentavana materiaalina.

 Maaliskuu 2015