По недавним прогнозам, производительность электроники достигнет своего предела к 2020 году. Поэтому инженеры пытаются уменьшить схемы и за счёт современных материалов преодолеть этот предел. Так, Тянь Пей (Tian Pei) и его коллеги из Пекинского университета создали полевой транзистор непосредственно на углеродных нанотрубках (УНТ). Размеры устройства не превышают нескольких нанометров.

Затем учёные разработали модульный метод построения сложных интегральных схем из нескольких полевых транзисторов на отдельных углеродных нанотрубках.

Чтобы продемонстрировать функционал методики, инженеры сконструировали 8-битную систему шин — схему, которая широко используется для передачи данных в компьютерах. Устройство содержит 46 полевых транзисторов на шести УНТ.

Первый полевой транзистор на УНТ был изготовлен в 1998 году, и с тех пор технология их производства постоянно улучшается учёными и инженерами. Как утверждают исследователи,

полупроводниковые УНТ перспективны в качестве замены кремнию, поскольку они намного тоньше и обладают более высокой подвижностью носителей, в результате чего достигаются более высокие скорости срабатывания.

Рис. 1. Фото системы шин, созданной китайскими инженерами на основе пяти полупроводниковых УНТ, выбранных по своим электронным параметрам. Снимок сделан при помощи сканирующего электронного микроскопа, масштабная линейка 50 микрометров (фото Pei et al.).

Тем не менее, электроника на УНТ по-прежнему крайне сложна в изготовлении. Одна из наиболее важных проблем заключается в получении больших количеств полупроводниковых УНТ, да ещё и так, чтобы среди них было мало менее подходящих металлических УНТ. Хотя учёные изобрели множество способов для разделения металлических и полупроводниковых УНТ, эти методы почти всегда приводят к снижению производительности последних.

Чтобы обойти эту проблему, исследователи обычно строят интегральные схемы на отдельных УНТ, которые могут быть индивидуально подобраны на основе их состояния.

Тут важно понимать, что

не существует двух одинаковых углеродных нанотрубок, а разные диаметры и другие свойства влияют на производительность будущего устройства. Но использование всего одной нанотрубки ограничивает комплексность работы этих устройств до простой логики.

В своём новом исследовании учёные из Пекинского университета показали, что

можно эффективно строить сложные микросхемы на нескольких УНТ, хотя они и обладают различными свойствами. Модульный метод позволил создать восемь транзисторов на двух УНТ с различными электронными свойствами. Этот блок был использован для создания восьмибитной системы шин, которая содержит 46 полевых транзисторов на шести УНТ.

Рис. 2. Транзисторы строятся на индивидуальных углеродных нанотрубках (иллюстрация Wikimedia Commons).

Испытания показали, что

система шин поддерживает интенсивность сигнала, даже когда он проходит через семь каскадных логических вентилей. Как объясняют исследователи в статье журнала Nano Letters, этот метод является особенно ценным, поскольку он позволяет исследовать пределы производительности углеродных нанотрубок в интегральных схемах.

Блок из восьми транзисторов может быть использован для конструирования и более сложных крупномасштабных интегральных схем, поскольку он универсален. Опираясь на предыдущие исследования, учёные надеются изучить эти возможности в недалёком будущем.

В ближайшие годы инженеры Поднебесной планируют построить масштабные интегральные схемы, которые превзойдут все системы на основе кремния. Они будут меньше, производительнее и станут потреблять намного меньше энергии, чем все существующие аналоги. Также они смогут функционировать как при экстремально низких температурах, так и при высоких без сопутствующего охлаждения. Более того, инженеры планируют продумать вопрос биологической совместимости их устройств.