延续摩尔定律，这些新材料有机会
最新更新时间：2021-03-20
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集成电路领域的进步是通过匹配，超过或落后于英特尔前首席执行官兼联合创始人戈登·摩尔（Gordon Moore）提出的速度来衡量的。戈登·摩尔说，每个集成电路的电子元件或晶体管的数量每18个月翻一番。那是五十多年前，令人惊讶的是，他的预测（现在称为摩尔定律）实现了。
近年来，人们认为步伐已经放慢了。在较小的芯片上放置更多电路和电源的最大挑战之一是热量管理。
由弗吉尼亚大学机械与航空工程系教授Patrick E. Hopkins和西北大学化学系教授Will Dichtel组成的多学科小组正在发明一种新型材料，具有保留芯片的潜力随着尺寸的不断缩小，它们变得很酷-并帮助摩尔定律得以实现。他们的工作最近发表在《自然材料》上。
使芯片中的电串扰最小化的电绝缘材料称为“低k”电介质。这种材料类型是无声的英雄，它通过控制电流以消除信号腐蚀和干扰，使所有电子产品成为可能。理想情况下，它还能将电流引起的有害热量从电路中带走。随着芯片变小，热量问题变得成倍增长，因为不仅在给定区域中存在更多的晶体管，这在同一区域中产生了更多的热量，而且它们彼此靠近，从而使散热变得更加困难。
在平行板电容器上进行的阻抗测量证实，COF-5是低k介电质。图片提供：Austin Evans
Hopkins说：“科学家们一直在寻找一种低k介电材料，该材料可以处理小得多的规模所固有的传热和空间问题。” “尽管我们已经走了很长一段路，但是除非我们结合学科，否则就不会有新的突破。对于这个项目，我们使用了机械工程，化学，材料科学，电气工程等多个领域的研究和原理来解决这是一个非常棘手的问题，我们每个人都无法靠自己解决。”
Hopkins是UVA Engineering的多功能材料集成计划的领导者之一，该计划汇集了来自多个工程学科的研究人员，以配制具有多种功能的材料。
前UVA工程高级科学家兼博士学位的Ashutosh Giri说：“通过另一个人的视角看到另一个领域的“我的”问题不仅令人着迷，而且还激发了最终带来进步的想法。我认为我们所有人都有这种经验。D．她是霍普金斯大学实验室的学生，是《自然材料》论文的第一作者，也是罗德岛大学的机械，工业和系统工程助理教授。
吉里说：“项目的核心是化学团队意识到材料的热功能性，了解其工作的新维度，以及机械和材料团队了解化学可能实现的分子工程水平。”
Dichtel表示：“我们正在制作的聚合物薄板只有一个原子厚（我们称之为2-D），并通过在特定的体系结构中对薄板进行分层来控制其性能。”
“我们在改进生产高质量二维聚合物薄膜方法方面的努力使这项合作得以实现。”
Dichtel说，该团队正在应用这种新的材料类别，以试图满足在致密芯片上使晶体管小型化的要求。
他说：“这在制造芯片的半导体行业中具有巨大的潜力。该材料既具有低电导率或'低k'又具有高传热能力，”他说。
这些特性的组合最近被《国际半导体路线图》确定为下一代集成电路的先决条件。
博士Austin Evans表示：“对于这个项目，我们专注于这种新材料类别的热性能，这太棒了，但更令人兴奋的是，我们只是在刮擦表面。” 是西北大学Dichtel实验室的学生，也是《自然材料》论文的第一作者之一。“开发具有独特性能组合的新型材料具有惊人的技术潜力。
“我们已经在许多应用中探索这种新型材料，例如化学传感。我们可以使用这些材料来确定（'感觉'）什么化学物质以及空气中有多少化学物质。这具有深远的影响例如，通过了解空气中的化学物质，我们可以优化食物的存储，运输和分配，以减少全球食物浪费。随着我们不断探索，我们可能会发现这些新材料所独有的特征。”说。
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