По мнению американских ученых, многостенные углеродные нанотрубки, связки одностенных нанотрубок, а также полоски графена могут заменить медные соединительные провода в сложных электрических цепях.

Технология КМОП (CMOS, Complementary-symmetry/metal-oxide semiconductor или комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник) 22 нм в своей применимости существенно ограничена возможностями обычной меди, провода из которой используются в качестве соединителей отдельных компонент. С уменьшением размеров медных проводов, их свойства изменяются таким образом, что энергетические потери в цепях начинают превышать допустимые пределы. Таким образом, дальнейшее развитие CMOS требовало поиска альтернативных материалов, которые позволили бы и далее уменьшать масштабы электрических цепей.

Рис. 1. Одностенная углеродная нанотрубка с металлическими свойствами может заменить медь в миниатюрных электрических цепях.

В качестве решения этой проблемы для цепей, интегрированных на одном чипе, были предложены оптические соединения. Однако реализация этой идеи на практике связана с рядом существенных сложностей. Поэтому, хотя оптические линии никто не сбрасывает со счетов, исследователи заняты поиском альтернативы.

По мнению американских ученых, основными кандидатами на роль таких соединителей могут быть углеродные нанотрубки и графеновые полоски. Отличные механические, тепловые и электрические свойства этих объектов делают их весьма многообещающими для микро- и наноэлектроники будущего. К примеру, плотность тока, который способны пропускать углеродные нанотрубки, на два – три порядка выше аналогичного параметра у меди. Высокая теплопроводность графеновых полос и углеродных нанотрубок делает их также применимыми в случае с трехмерными интегрированными электрическими цепями.

Однако для применения новых материалов на практике, необходимо развить более глубокое понимание физики процессов, происходящих в этих объектах, при прохождении электрического тока. Работая в этом направлении, американские ученые видоизменили разработанную ранее двумерную жидкостную модель для носителей тока в углеродных нанотрубках, включив в нее электрон-электронное взаимодействие, т.е. заменив ее полуклассической одномерной жидкостной моделью. Согласно предложенной ими математической модели, углеродная нанотрубка с металлическими свойствами представляется аналогично высоковольтной линии передачи. К слову, модель применима и для случая графена, представляющего собой, по сути, «развернутый» вариант одностенной углеродной нанотрубки.

Разработанная учеными простая математическая модель позволила смоделировать электронный транспорт в нанотрубках и полосках графена, примененных в определенных электрических цепях. Кроме того, предложенная теория позволила получить примерный расчет статической модели полевого транзистора, необходимый для проектирования реальных электрических схем. Также теоретически была исследована возможность применения не отдельных нанотрубок, а их связок.

Вычислительные эксперименты показали, что нанотрубки и полоски графена действительно справляются с поставленной задачей лучше, чем применяемая на сегодняшний день медь. Соединительные провода нового типа позволяют снизить потери мощности и значительно увеличить скорость прохождения сигнала. Группа планирует продолжить работы в этом направлении.