Прогресс в области интегральных схем измеряется соответствием, превышением или отставанием от скорости, установленной Гордоном Муром, бывшим генеральным директором и соучредителем Intel, который сказал, что количество электронных компонентов или транзисторов на одну интегральную схему будет удваиваться каждый год. Это было более 50 лет назад, и неожиданно его предсказание, получившее название закона Мура, сбылось.

В последние годы считалось, что темп замедлился; Одна из самых больших проблем при размещении большего количества цепей и мощности на меньшем чипе — это управление теплом.

Многопрофильная группа, в которую входят Патрик Э. Хопкинс, профессор факультета механической и аэрокосмической техники Университета Вирджинии, и Уилл Дихтель, профессор химического факультета Северо-Западного университета, изобретают новый класс материалов, способных удерживать микросхемы. Это прекрасно, поскольку они продолжают уменьшать в размерах электронику и помогать закону Мура оставаться верным. Их работа недавно была опубликована в журнале Nature Materials.

Электроизоляционные материалы, которые минимизируют электрические перекрестные помехи в микросхемах, называются диэлектриками с низким k. Этот тип материала — бесшумный герой, который делает возможной всю электронику, управляя током, чтобы устранить эрозию сигнала и помехи; в идеале он также может отводить от схемы вредное тепло, вызванное электрическим током. Проблема нагрева становится экспоненциальной по мере того, как микросхема становится меньше, потому что не только больше транзисторов находится в данной области, что вызывает больше тепла в той же области, но и они расположены ближе друг к другу, что затрудняет рассеивание тепла.

«Ученые искали диэлектрический материал с низким k, который мог бы справиться с проблемами теплопередачи и пространства, присущими гораздо меньшим масштабам», — сказал Хопкинс. «Хотя мы прошли долгий путь, новых прорывов просто не произойдет, если мы не объединим дисциплины. В этом проекте мы использовали исследования и принципы из нескольких областей — машиностроения, химии, материаловедения, электротехники — решить действительно сложную проблему, которую никто из нас не смог бы решить самостоятельно».

Хопкинс является одним из лидеров инициативы UVA Engineering по интеграции многофункциональных материалов, которая объединяет исследователей из разных инженерных дисциплин для разработки материалов с широким спектром функций.

«Увидеть «мою» проблему через чью-то линзу в другой области было не только увлекательно, но и породило идеи, которые в конечном итоге привели к прогрессу. Я думаю, что у всех нас был такой опыт», — сказал Ашутош Гири, бывший старший научный сотрудник UVA Engineering и доктор философии, соавтор статьи о материалах Nature и доцент Университета Род-Айленда в области машиностроения, промышленности и системотехники.

«Суть проекта заключалась в том, что команда химиков осознала тепловую функциональность своего материала, понимая новое измерение в своей работе, и когда группа механиков и материалов поняла уровень молекулярной инженерии, возможный с химией», — сказал Гири.

«Мы берем полимерные листы толщиной всего в один атом — мы называем это 2D — и контролируем их свойства, располагая листы слоями в определенной архитектуре», — сказал Дихтель.

«Наши усилия по совершенствованию методов производства высококачественных 2D-полимерных пленок сделали возможным эту совместную работу».

По словам Дихтеля, команда применяет этот новый класс материалов, чтобы попытаться удовлетворить требования миниатюризации транзисторов на микросхеме высокой плотности.

«Это имеет огромный потенциал для использования в полупроводниковой промышленности, в отрасли, где производятся микросхемы. Этот материал имеет как низкую электропроводность, так и высокую теплопроводность», — сказал он.

Эта комбинация свойств была недавно определена в Международной дорожной карте по полупроводникам как необходимое условие для интегральных схем следующего поколения.

«В этом проекте мы сосредоточились на тепловых свойствах этого нового класса материалов, что является фантастическим, но еще более захватывающим является то, что мы еще в начале пути», — сказал Остин Эванс, доктор философии. студент лаборатории Дихтеля на Северо-Западе и первый соавтор статьи о материалах природы. «Разработка новых классов материалов с уникальными комбинациями свойств имеет удивительный технологический потенциал».

«Мы уже изучаем этот новый класс материалов для многих приложений, например, для химического зондирования. Мы можем использовать эти материалы, чтобы определять — «чувствовать» — какие химические вещества и сколько из них находятся в воздухе. Например, зная о химических веществах в воздухе, мы можем оптимизировать хранение, транспортировку и распределение пищевых продуктов, чтобы сократить глобальные пищевые отходы. По мере продолжения исследований мы, вероятно, обнаружим еще больше уникальных свойств этих новых материалов», — Сказал Эванс.