高导电铜/碳纳米管(Cu/CNT)纳米线制造及导电机理研究

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项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51675097
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    62.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0512.微纳机械系统
  • 结题年份:
    2020
  • 批准年份:
    2016
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2017-01-01 至2020-12-31

项目摘要

The line-width of interconnects in integrated circuits (IC) with high performance has been greatly reduced following the well-known Moore law. Copper (Cu) is the main interconnect metal material currently being used in IC. However, the continuous downscaling of line-width has caused two technology barriers associated with Cu interconnects including electromigration and largely increased resistivity. The increased resistivity not only increases the RC delay in the computation to low the performance but also causes servere electromigration as well as Joule heating related reliability concerns. According to the free electron gas theory of the electrical conductivity (inverse of the resistivity) of metal in quantum mechanics, this project aims to develop a novel Cu/Carbon nanotube (Cu/CNT) nanowire with high conductivity that crystalline Cu filled continuously in CNT templates to realize good interfacial bonding ensuring electron redistribution between CNT and Cu. Then the ultrahigh conductivity of Cu/CNT nanowire could be obtained by combining the large free electron density (from Cu) and large mean free path (from CNT). An innovative manufacturing process to achieve copper tightly bonded into inner CNT and to realize electron redistribution between copper and CNT is proposed to achieve large electron free mean path and large free electron density at the boundary. The fabrication process of high-conductive Cu/CNT nanowire at large area can be described as follows: The ordered channel of the anodic alumina Oxide (AAO) template is prepared with two-step anodic oxidation of aluminum. The catalysts are electrodeposited into the nanochannel of AAO template. Patterned growth of CNT array with opened end in AAO template is conducted using chemical vapor deposition. Then the electrochemical deposition will be performed to deposit continuous crystalline Cu into nano hole in CNT to form tightly interfacial bonding with CNT. The unifom Cu/CNT nanowires at large area will form after the etching away of the AAO template. In the end, the electrical conductivity, electromigration and conductive mechanism of fabricated Cu/CNT nanowire will be investigated by combining four-probe measurement with the first principle calculation for the application realibity as interconnect in IC. These Cu/CNT nanowires are promising as building blocks for assembling advanced interconnects to overcome current technology barriers in IC including electromigration and increased electrical resistivity. The fabrication process of the Cu/CNT nanowire was compatible with the traditional IC process. The success of this project will also make significant impacts on nanoscale integated circuits due to the ultrahigh conductivity and high antielectromigration potentials of Cu/CNT nanowires.Also the ultra-high conductive Cu/CNT nanowires could be applied as electrodes of bio/chemical sensor.
集成电路集成度不断提高,铜互联线宽减小而导致电阻率显著增大,增大RC时延而降低性能,加剧电迁移和焦耳热相关可靠性问题。基于量子力学金属导电自由电子气理论,项目提出纳米尺度铜紧密填充碳纳米管(CNT)兼得高自由电子密度(从铜)和长电子平均自由程(从CNT)的高导电铜/碳纳米管(Cu/CNT)纳米线理论。以多孔氧化铝(AAO)为模板化学气象沉积开口CNT,再以开口CNT为模板,电化学紧密填充铜,最后去除AAO模板,大面积制造高导电Cu/CNT纳米线。开发四电极法精确测试单根Cu/CNT纳米线的导电率和承受电流密度,结合纳米线结构表征,研究结构因素对导电影响及机理。从原子层面设计和构建Cu-CNT界面结构的Cu/CNT复合体系,基于第一性原理系统计算其电子和导电特性,深入研究高导电Cu/CNT纳米线的导电机理。高导电Cu/CNT纳米线有望应用于未来高性能集成电路,还可作先进生物化学传感器的电极。

结项摘要

集成电路集成度不断提高,铜互联线宽减小而导致电阻率显著增大,增大RC时延而降低性能,加剧电迁移和焦耳热相关可靠性问题。基于量子力学金属导电自由电子气理论,项目提出了纳米尺度铜填充碳纳米管(CNT)高导电铜/碳纳米管(Cu/CNT)纳米线理论。首先开发了以多孔氧化铝(AAO)为模板化学气象沉积开口CNT,再以开口CNT为模板,电化学紧密填充铜,最后去除AAO模板,获得铜填充CNT的复合纳米线制造工艺;进一步调整各个步骤的工艺参数,控制CNT的可控生长,阳极氧化、CVD生长CNT、扩孔、电化学沉积获得不同直径的Cu/CNT纳米线包括铜纳米颗粒,铜纳米柱,铜纳米线不同形态的Cu/CNT复合纳米线,通过对Cu/CNT复合纳米线的表征,铜与CNT的界面具有紧密结合特性,具有潜在的优异电学特性。开发四电极法精确测试单根Cu/CNT纳米线的导电率和承受电流密度,结合纳米线结构表征,对比分析单根一维铜纳米线,单根碳纳米管以及Cu/CNT复合纳米线等电学特性,为Cu/CNT纳米线的电子传输特性测试打下基础。从原子层面设计和构建Cu-CNT界面结构的Cu/CNT复合体系,基于第一性原理系统计算其电子和导电特性,制造不同构型的铜填充CNT的Cu/CNT纳米线,研究铜原子填充CNT的电子特性设,基于第一性原理的密度泛函理论计算铜填充CNT的态密度、能带、分波态密度研究了高导电Cu/CNT纳米线的导电机理,铜金属修饰的碳纳米管结构,有效提高碳纳米管的投射系数。通过AFM研究不同电压下金属和石墨烯表面作用,研究金属在正负偏压下金属针尖和石墨烯之间表面力随电压的变化规律,获得随着电压值的增加而增加,针尖和石墨烯之间固有的电势差导致正电压下的静电粘附要低于负电压下的静电粘附,并且固有电势差的影响会随着电压值的增加被不断放大,电压的大小和方向对金属和石墨烯表面作用的有重要影响特性,并且通过电场控制金属和石墨烯界面的特性调控,实现金属对石墨烯界面的可控调控。高导电Cu/CNT纳米线有望应用于未来高性能集成电路,还可作先进生物化学传感器的电极,还可以应用于微纳高灵敏传感器件。

项目成果

期刊论文数量(16)
专著数量(0)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
A novel approach to decrease friction of graphene
减少石墨烯摩擦的新方法
  • DOI:
    10.1016/j.carbon.2017.03.042
  • 发表时间:
    2017-07
  • 期刊:
    Carbon
  • 影响因子:
    10.9
  • 作者:
    Zeng Xingzhong;Peng Yitian;Lang Haojie
  • 通讯作者:
    Lang Haojie
Anisotropic nanofriction on MoS2 with different thicknesses
不同厚度MoS2上的各向异性纳米摩擦
  • DOI:
    10.1016/j.triboint.2019.02.010
  • 发表时间:
    2019-06-01
  • 期刊:
    TRIBOLOGY INTERNATIONAL
  • 影响因子:
    6.2
  • 作者:
    Cao, Xing'an;Gan, Xuehui;Yi, Wangmin
  • 通讯作者:
    Yi, Wangmin
Enhancing performances of a resistivity-type hydrogen sensor based on Pd/SnO2/RGO nanocomposites
增强基于 Pd/SnO2/RGO 纳米复合材料的电阻率型氢传感器的性能
  • DOI:
    10.1088/1361-6528/aa6a96
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    Nanotechnology
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Peng Yitian;Zheng Lulu;Zou Kun;Li Cong
  • 通讯作者:
    Li Cong
Controllable Nanotribological Properties of Graphene Nanosheets.
石墨烯纳米片的可控纳米摩擦学特性
  • DOI:
    10.1038/srep41891
  • 发表时间:
    2017-01-31
  • 期刊:
    Scientific reports
  • 影响因子:
    4.6
  • 作者:
    Zeng X;Peng Y;Lang H;Liu L
  • 通讯作者:
    Liu L
Nanotribological behavior of a single silver nanowire on graphite
石墨上单根银纳米线的纳米摩擦学行为
  • DOI:
    10.1088/1361-6528/aaa2e5
  • 发表时间:
    2018
  • 期刊:
    Nanotechnology
  • 影响因子:
    3.5
  • 作者:
    Zeng X.;Peng Y.;Lang H.;Cao X.
  • 通讯作者:
    Cao X.

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电场下悬浮六方氮化硼摩擦特性的研究
  • DOI:
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    2021
  • 期刊:
    物理学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    陈星源;黄瑶;彭倚天
  • 通讯作者:
    彭倚天
基于有限元分析的石墨烯弹性性能和振动特性
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2013
  • 期刊:
    东南大学学报(自然科学版)
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    唐文来;彭倚天;倪中华
  • 通讯作者:
    倪中华
Nanotribological properties of silicon with silane derived surface modification
硅烷衍生表面改性硅的纳米摩擦学性能
  • DOI:
    10.1179/1743294412y.0000000071
  • 发表时间:
    2013-02
  • 期刊:
    Surface Engineering
  • 影响因子:
    2.8
  • 作者:
    彭倚天
  • 通讯作者:
    彭倚天

其他文献

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彭倚天的其他基金

多功能铜/石墨烯(Cu/GNS)复合薄膜制造及载流摩擦特性与损伤机理
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  • 资助金额:
    50.0 万元
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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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