นักวิจัยของมหาวิทยาลัยเซาท์ฟลอริดาได้พัฒนาแนวทางใหม่ในการบรรเทาการอพยพด้วยไฟฟ้าในการเชื่อมต่อทางอิเล็กทรอนิกส์ระดับนาโนที่แพร่หลายในวงจรรวมที่ล้ำสมัย สิ่งนี้ทำได้โดยการเคลือบโลหะทองแดงที่เชื่อมต่อระหว่างกันด้วยโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (hBN) ซึ่งเป็นวัสดุฉนวนสองมิติ (2-D) ที่มีฉนวนบางอะตอมซึ่งมีโครงสร้างคล้ายกันกับกราฟีน "วัสดุมหัศจรรย์"
Electromigration เป็นปรากฏการณ์ที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านตัวนำทำให้เกิดการพังทลายของวัสดุในระดับอะตอม ส่งผลให้อุปกรณ์ล้มเหลวในที่สุด ธรรมดา สารกึ่งตัวนำ เทคโนโลยี จัดการกับความท้าทายนี้ด้วยการใช้วัสดุกั้นหรือซับใน แต่วิธีนี้ใช้พื้นที่อันมีค่าบนแผ่นเวเฟอร์ที่อาจนำไปใช้บรรจุทรานซิสเตอร์ได้มากขึ้น แนวทางของผู้ช่วยศาสตราจารย์ Michael Cai Wang ฝ่ายวิศวกรรมเครื่องกลของ USF บรรลุเป้าหมายเดียวกันนี้ แต่ด้วยวัสดุที่บางที่สุดในโลก จึงกลายเป็นวัสดุสองมิติ (2-D)
“งานนี้นำเสนอโอกาสใหม่สำหรับการวิจัยเกี่ยวกับปฏิสัมพันธ์ระหว่างโลหะกับวัสดุ 2 มิติระดับอังสตรอม การปรับปรุงระบบอิเล็กทรอนิกส์และ สารกึ่งตัวนำ ประสิทธิภาพของอุปกรณ์เป็นเพียงผลลัพธ์หนึ่งของการวิจัยนี้ ข้อค้นพบจากการศึกษาครั้งนี้เปิดโอกาสใหม่ๆ ที่สามารถช่วยพัฒนาการผลิตเซมิคอนดักเตอร์และวงจรรวมในอนาคต” Wang กล่าว “กลยุทธ์การห่อหุ้มแบบใหม่ของเราโดยใช้ hBN ชั้นเดียวเป็นวัสดุกั้น ช่วยให้สามารถปรับขนาดความหนาแน่นของอุปกรณ์เพิ่มเติมได้ และช่วยให้กฎของมัวร์ก้าวหน้าต่อไปได้” สำหรับการอ้างอิง นาโนเมตรคือ 1/60,000 ของความหนาของเส้นผมมนุษย์ และอังสตรอมคือหนึ่งในสิบของนาโนเมตร การจัดการวัสดุ 2 มิติที่มีความบางดังกล่าวต้องใช้ความแม่นยำและการจัดการอย่างพิถีพิถัน
ในการศึกษาล่าสุดของพวกเขาที่ตีพิมพ์ในวารสาร ระดับสูง อิเล็กทรอนิกส์ วัสดุการเชื่อมต่อระหว่างทองแดงกับโมโนเลเยอร์ hBN ผ่านแนวทางที่เข้ากันได้กับแบ็คเอนด์ออฟไลน์ (BEOL) แสดงอายุการใช้งานของอุปกรณ์นานกว่า 2500% และความหนาแน่นกระแสไฟสูงกว่าอุปกรณ์ควบคุมที่เหมือนกันมากกว่า 20% การปรับปรุงนี้ ประกอบกับความบางของ ångström ของ hBN เมื่อเทียบกับวัสดุกั้น/วัสดุบุผิวทั่วไป ช่วยให้วงจรรวมมีความหนาแน่นมากขึ้น การค้นพบนี้จะช่วยพัฒนาประสิทธิภาพของอุปกรณ์และลดการใช้พลังงาน
“ด้วยความต้องการรถยนต์ไฟฟ้าและการขับขี่แบบอัตโนมัติที่เพิ่มขึ้น ความต้องการการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นจึงเพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณ คำมั่นสัญญาของความหนาแน่นและประสิทธิภาพของวงจรรวมที่สูงขึ้นจะช่วยให้สามารถพัฒนา ASICs (วงจรรวมเฉพาะแอปพลิเคชัน) ที่ดีขึ้นซึ่งปรับให้เข้ากับความต้องการพลังงานสะอาดที่เกิดขึ้นใหม่เหล่านี้” Yunjo Jeong ศิษย์เก่าจากกลุ่มของ Wang และผู้เขียนคนแรกของการศึกษาอธิบาย
รถยนต์สมัยใหม่โดยเฉลี่ยมีส่วนประกอบไมโครอิเล็กทรอนิกส์หลายร้อยชิ้น และความสำคัญของส่วนประกอบที่เล็กแต่สำคัญเหล่านี้ได้รับการเน้นย้ำโดยเฉพาะอย่างยิ่งผ่านการขาดแคลนชิปทั่วโลกเมื่อเร็วๆ นี้ การทำให้การออกแบบและการผลิตวงจรรวมเหล่านี้มีประสิทธิภาพมากขึ้นจะเป็นกุญแจสำคัญในการบรรเทาการหยุดชะงักของห่วงโซ่อุปทานในอนาคต Wang และนักเรียนของเขากำลังค้นหาวิธีต่างๆ ในการเร่งกระบวนการของพวกเขาให้อยู่ในระดับที่ยอดเยี่ยม
“การค้นพบของเราไม่ได้จำกัดอยู่แค่การเชื่อมต่อทางไฟฟ้าใน สารกึ่งตัวนำ การวิจัย. ความจริงที่ว่าเราสามารถบรรลุการปรับปรุงอุปกรณ์เชื่อมต่อที่รุนแรงเช่นนี้ หมายความว่าวัสดุ 2 มิติสามารถนำไปใช้กับสถานการณ์อื่นๆ ได้หลากหลาย” วังกล่าวเสริม