[发明专利]作为微波频率互连的纳米管

说明书

政府信息

本发明是利用根据基金No.N66001-03-1-8914、由海军研究办公室授予的政府支持来作出的。政府在本发明中具有一定的权利。

发明领域

本发明涉及纳米管，更特别地涉及使用纳米管来以高频传送电流和电压。

背景

纳米管通常由碳制成，并且包括无缝卷绕成圆筒的石墨片。纳米管可以是单壁或多壁的。单壁纳米管(SWNT)包括单个圆筒，并且表示几乎理想的一维电子结构。多壁纳米管(MWNT)包括同心布置的多个圆筒。对于SWNT而言，典型尺寸是1-3nm，而对于MWNT而言，典型尺寸是20-100nm。

纳米管可以是金属的或半导体的，这取决于它们的结构。金属纳米管是不可选通的，这意味着它们的电导率不随所施加的选通电压而变化，而半导体纳米管是可选通的。纳米管的电特性使它们成为用于实现比利用当前光刻技术所能获得的更小的纳米级电子装置的有希望的候选者。

预计纳米管晶体管会非常快，尤其是在纳米管可以被用作未来集成纳米系统中它们自己的互连的情况下。在半导体纳米线和纳米管中发现的非常高的迁移率对于高速工作是重要的，这是通常纳米管和纳米线装置的主要预计优势之一。纳米管因其用于大电流密度的容量而还可以长期在有源纳米管晶体管之间或者短期在常规晶体管之间起高频互连的作用。

早期理论工作预计在没有散射和接触电阻的情况下在纳米管动态阻抗中有明显的频率依赖性。这种预计的频率依赖性的起因是电子的集体运动，其可以被看作一维等离子体振子。我们的等效电路描述显示出，纳米管形成量子传输线，其具有分布的动态电感以及量子电容与几何电容。在没有阻尼的情况下，对于10与100mm之间的纳米管长度，在这个传输线上的驻波可以产生在微波范围(1-10GHz)内的谐振频率。我们还提出ad-hoc阻尼模型，其使阻尼与每单位长度的dc电阻相关。至今还没有SWNT的微波频率电导率的测量法。

概要

本发明提供能够以高频传送电流和电压的纳米管互连，以用作高频电路中的高速互连。

已经显示出，单壁纳米管的动态或AC电导率一直到至少10GHz都与它们的DC电导率相等，从而表明纳米管互连的载流能力能够被扩展到高频(微波)范围而没有退化。因而，纳米管互连可以被用作高频电路(例如RF和微波电路)和高频纳米级电路中的高速互连。在一个优选实施例中，纳米管互连包括金属单壁纳米管(SWNT)，尽管也可以使用其它类型的纳米管，例如多壁碳纳米管(MWNT)、所有金属纳米管的绳、以及包括半导体纳米管和金属纳米管的混合物的绳。

纳米管互连优于当前用于集成电路的铜互连。由于尺寸降到100nm以下，所以纳米管互连比铜互连具有高得多的电导率，并且没有遭受能够进一步减少铜互连的电导率的表面散射的影响。除了它们表明的高频载流能力以外，纳米管互连的更高的电导率还使它们对于高速应用而言优于铜互连，所述高速应用包括高频纳米级电路。

根据下面在结合附图时所采用的更详细的描述，本发明各实施例的上述和其它优点将是显而易见的。意图是，上述优点能够通过本发明的不同方面被单独实现，并且本发明的附加优点将包括上述独立优点的各种组合，从而可以从组合的技术中获得协同益处。

附图简述

图1是示出装置A即具有1μm电极间距的单壁纳米管(SWNT)的电流-电压特性的曲线图。

图2是示出装置A在DC、0.6GHz、10GHz频率时电导率与源漏电压的关系的曲线图。

图3是示出装置B即具有25μm电极间距的SWNT的电流-电压特性的曲线图。

图4是示出装置B在DC、0.3GHz、1GHz、10GHz频率时电导率与源漏电压的关系的曲线图。

详细描述

本发明提供能够以高频传送电流和电压的纳米管互连，以用作高频电路中的高速互连。纳米管互连在高频的电流和电压传送能力通过下面的测量法来证实。

单壁纳米管(SWNT)的高频电导率的第一测量法被给出。我们在实验上发现，ac电导率一直到至少10GHz都与dc电导率相等。这第一次清楚地证实，碳纳米管的载流能力能够被扩展到高频(微波)范围而没有退化。