CN101208826A - 互连的纳米系统 - Google Patents

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CN101208826A CNA2005800273648A CN200580027364A CN101208826A CN 101208826 A CN101208826 A CN 101208826A CN A2005800273648 A CNA2005800273648 A CN A2005800273648A CN 200580027364 A CN200580027364 A CN 200580027364A CN 101208826 A CN101208826 A CN 101208826A
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Abstract

去往或来自纳米器件的通信被提供以基于纳米结构的天线，优选地，该天线是用单壁纳米管(SWNT)形成的，但其并不局限于此。其他那些基于纳米结构的天线包括双壁纳米管、半导体纳米线、金属纳米线等等。通过使用基于纳米结构的天线，消除了向纳米器件提供物理通信连接的需要，同时仍旧允许纳米器件与其他纳米器件或外部系统之间的通信，即：所述外部系统是大于纳米级的系统，例如借助诸如CMOS、GaAs、双极工艺等半导体制造工艺形成的系统。

Description

互连的纳米系统
发明领域
[0001]本发明总地涉及纳米技术领域，尤其涉及的是用于纳米管、纳米线以及其他纳米级结构和器件的相互连接。
发明背景
[0002]基本上，对现代数字或模拟电路来说，使用纳米管(nanotube)和/或纳米线(nanowire)来制造其等价品所需要的所有器件都已经在原型试验中得到了论证，且基本的逻辑电路同样也得到了论证。不同的研究人员声称，纳米线/纳米管器件在各种度量方面均优于CMOS，例如每宽度的跨导或移动性。如果措词恰当的话，这些主张是正确的。但是，仍旧存在着潜在、不言而喻的促动因素，即：器件小于或可以小于由平版印刷(lithography)技术所造成的空间分辨率，这将提供一条将摩尔定律扩展到纳米技术领域的途径。
[0003]迄今为止，已被开发的纳米管和纳米线器件是借助那些以平版印刷方式制造的电极来接触的。由于平版印刷技术存在几何限制，因此，对大规模并行处理的集成纳米系统而言，这种技术并不是一种可升级的技术。对可能具有纳米线和纳米管的潜在的高密度电路而言，如果每个纳米线和纳米管都是以平版印刷方式接触的，那么这种电路将是无法实现的。
[0004]近来，已建议将某些容错架构方案用于处理这个互连问题。举个例子，如果使用了N条以平版印刷方式制造的线，那么有可能使用二元树复用方案来单独寻址2N条纳米线。由于纳米线之间的间隔超出了平版印刷技术限度，因此，这些纳米线与以平版印刷方式制造的线之间的电连接是随机的，但是，这种电连接在原则上是可以在制造工艺之后测量的。借助这种技术，所制造的每个芯片都将具有它自己的独特的固件，该固件是特定于纳米级的物理硬件缺陷的。
[0005]尽管如此，为使集成的纳米系统具有有效的实现以及完全的可伸缩性，需要一种可制造性更高的互连。
发明概述
[0006]下文描述的是用于纳米器件和纳米系统的无线互连的例示实施例。这些实施例只是一些实例，并不打算对本发明进行限制。
[0007]这里描述的器件、系统和方法提供的是用于纳米器件和纳米系统的无线互连。更特别地，去往或来自纳米器件的通信被提供以基于纳米结构的天线，优选地，该天线是用单壁碳纳米管(SWNT)制造的，但其并不局限于此。其他基于纳米结构的天线则包括双壁纳米管、半导体纳米线、金属纳米线等等。通过使用基于纳米结构的天线，消除了为纳米器件提供物理通信连接的需要，同时允许在纳米器件与其他纳米器件或外部系统之间进行通信。
[0008]在一个实施例中，以无线方式互连的系统包括纳米器件和外部系统，其中该纳米器件具有与之耦合的基于纳米结构的天线，该外部系统则被配置成使用基于纳米结构的天线来与纳米器件进行通信。该纳米器件还被配置成经由基于纳米结构的天线来进行通信。
[0009]在另一个实施例中，一种用于制造互连纳米系统的方法包括：形成具有通信引线的纳米器件，以及将基于纳米结构的天线耦合到通信引线。优选地，将基于纳米结构的天线耦合到通信引线包括在该引线上形成碳纳米管。
[0010]在另一个实施例中，一种用于与纳米结构的器件进行通信的方法为：以无线方式从第一器件发射信息，以及以无线方式在第二器件上接收信息，其中该第一和第二器件中的至少一个是纳米结构的器件。
[0011]在另一个实施例中，一种互连的系统包括：第一器件以及以无线方式耦合到该第一器件的第二器件，其中该第一和第二器件中的至少一个是纳米器件。
[0012]在另一个实施例中，一种互连的系统包括：第一器件以及以无线方式耦合到该第一器件的第二器件，其中该第一和第二器件之一包含了基于纳米结构的天线。
[0013]现在将参考附图来对包含各种实现和元素组合的新颖细节的上述特征以及其他优选特征进行更具体的描述，并且在权利要求中将会指出这些特征。应该理解的是，这些具体的方法和器件是仅作为例示而不是限制显示的。正如本领域技术人员所理解的那样，这里所说明的原理和特征是可以在各种且众多的实施例中使用的。
附图简述
[0014]包括制造处理、结构以及操作在内的本发明的细节可以通过研究附图而被部分收集，其中相同的参考数字标引的是相同的部分。
[0015]图1描述的是纳米结构器件的一个例示实施例的图解。
[0016]图2描述的是互连的纳米系统的一个例示实施例的框图。
[0017]图3描述的是碳纳米管接收天线和双极发射天线的框图。
[0018]图4描述的是用于例证图3所示的碳纳米管接收天线的电导测定的图表。
[0019]应当注意，这些图并未按比例绘制，且为例示的目的，在所有图中类似结构或者功能的元素一般由相似的参考数字表示。还应该注意的是：仅打算用这些图来方便优选实施例的描述。
详细描述
[0020]以下公开的每个附加特征和教导可以单独使用，或者可以与其他特征和教导结合使用，从而为纳米器件和纳米系统提供诸如基于纳米结构的天线之类的无线互连。现在将参考附图来对本发明的示范性实例进行更详细的描述，其中这些实例以单独和组合方式使用了众多的这些附加特征和组合。本详细描述只是打算向本领域技术人员讲授用于实施本教导的优选方面的更多细节，而不打算限制本发明的范围。因此，从最广义的意义上讲，后续详细描述中公开的特征和步骤组合未必是实施本发明所必需的，取而代之的是，该描述仅仅具体描述了本教导的示范性实例。
[0021]此外，这些代表性实施例以及从属权利要求的不同特征也可以采用未被专门和显式列举的方式来进行组合，由此提供本教导的附加有用的实施例。此外，应该明确指出的是，出于原始公开的目的，并且为了对独立于实施例和/或权利要求中的特征组合的、要求保护的主题进行限制，在说明书和/或权利要求书中公开的所有特征都是以相互分离和独立的方式公开的。另外还应该明确指出的是，出于原始公开的目的，并且为了对要求保护的主题进行限制，所有数值范围或实体群组的指示公开了各个可能的中间值或中间实体。
[0022]这里提供的公开内容涉及2004年8月12日提交的美国临时专利申请序列号60/601,230，其中该申请在此以完全阐述的方式引入以作为参考。
[0023]这里描述的器件、系统和方法为纳米器件和纳米系统提供了无线互连。更特别地，去往或来自纳米器件的通信被提供以基于纳米结构的天线，优选地，该天线是用单壁纳米管(SWNT)制成的，但其并不局限于此。其他的基于纳米结构的天线包括双壁纳米管、半导体纳米线、金属纳米线等等。通过使用基于纳米结构的天线，消除了向纳米器件提供物理通信连接的需要，同时仍旧允许纳米器件与其他纳米器件或外部系统之间的通信，即：所述外部系统是大于纳米级的系统，例如借助诸如CMOS、GaAs、双极工艺等半导体制造工艺形成的那些系统。
[0024]基于纳米结构的天线同样可以用于其他天线应用，其中包括但不局限于RFID应用。在某些情况下，纳米管或纳米线之类的每个纳米架构都可以是单独的天线。在其他情况下，该纳米结构可以仅仅是天线的一部分。例如，纳米管可以用作合成材料的组件，在这种情况下，基于纳米管的合成材料充当的是天线。
[0025]图1描述的是能够实施无线通信的纳米器件10的例示实施例。纳米器件10具有多个基于纳米结构的天线16，例如纳米管天线，这些天线共同形成了从纳米器件10的四边中的每一边伸出的天线阵列11。优选地，阵列11中的每个纳米管天线16都具有单独的谐振频率，并且被配置成在与该谐振频率相对应的独立无线频率信道上进行通信。这样一来，纳米器件10可以对从另一个器件或外部系统发射的多信道通信信号进行接收。由于阵列11内部的每个纳米管16都在单独的信道上接收信息，因此每一个阵列11都可以充当一个通信端口，其中每一个天线16则有效地充当了输入/输出连接。
[0026]举个例子，在本实施例中，纳米器件10在每个器件侧面具有14个电路输入端18，其中每一个输入端都与单独的纳米管天线16相连。这些输入端18中每个的输入信号都是由另外的器件或外部系统在14个独立信道上传送的，由此每个基于纳米结构的天线16都只接收那些在相应谐振频率上传送的通信。这样便允许经由相应的基于纳米结构的天线16而向各个单独的输入端18传送单独的、独特的信息量。
[0027]纳米器件10可以具有任意数量的纳米管天线16，这些天线被配置成执行发射处理、接收处理或执行这两种处理。在将每个纳米管天线16调谐到单独的谐振频率的实施例中，可用于在单独信道上接收数据的纳米管天线16的数量仅仅受限于可用带宽。
[0028]纳米器件10可以是任何一种纳米级器件，或者可以是具有纳米级组件的器件。对纳米器件10的内部结构12来说，其范围可以从简单的纳米管或纳米电极到具有纳米管、纳米线、纳米晶体管、自组装DNA等等的更为复杂的集成纳米系统。此外，术语“纳米级”并未打算去限制这里的系统和方法，而是为了便于标引任何一种参考纳米来进行测量的仪器、结构、器件、事物或对象。本领域的一个技术人员很容易想到，术语“纳米级”可以包括那些在尺寸上小于1纳米的结构，同时还包括了在尺寸上大于1000纳米的结构。
[0029]基于纳米结构的天线16可以由任何一种充当天线的纳米级结构形成。在优选实施例中，基于纳米结构的天线16是用碳单壁纳米管(SWNT)形成的。每个碳SWNT天线16都可以通过调节其长度而被调谐到一个谐振频率。例如，长为1厘米的碳SWNT天线16具有大小为4GHz的谐振频率。
[0030]在优选实施例中，碳SWNT天线是如共同未决的申请序列号------(律师案卷号为703538.4093)，提交日为2005年8月5日，标题为“SYNTHESIS OF SINGLE-WALLED CARBON NANOTUBES(单壁碳纳米管的合成)”中更详细描述的那样在单炉系统中形成或生长的，其中该系统包括一个经过修改的CVD反应室，该反应室减少了在生长阶段期间提供的烃源的气流湍流，该申请被在此并入作为参考。减少的湍流会为超长的纳米管形成来创建一个增强的环境。此外，一个包含金属底层的隆起平台被沉积在一个基底上。该隆起的平台允许纳米管在低湍流气流中以从基底悬挂的方式自由生长。这样减少了基底所导致的立体空间力阻抗(steric force impedance)，并且能使纳米管生长成具有厘米量级的长度。
[0031]图2描述的是包含了纳米器件102和外部系统103的互连纳米系统100的例示实施例。在这里，每一个纳米器件都具有多个纳米管天线106，这些天线合在一起形成了纳米天线阵列101。优选地，阵列101内部的每一个纳米管天线106都具有单独的谐振频率，并且被配置成在与该谐振频率相对应的单独的无线频率信道上进行通信。这样一来，纳米器件102可以对从外界的外部系统103经由天线107传送的多信道通信信号进行接收。由于阵列101内部的每个纳米管106都是在单独的信道上接收信息的，因此阵列101可以充当通信端口，在这种情况下，每一个天线106都有效地充当了一个输入/输出连接。
[0032]举个例子，在本实施例中，每一个纳米器件102都具有四个电路输入端108，其中每一个输入端都与单独的纳米管天线106相连。对这些输入端108中的每一个来说，其输入信号都从外部系统103在通信路径104的四条单独的信道上传送，由此每一个基于纳米结构的天线106都只接收那些在相应谐振频率上传送的通信。这样便允许从外部系统103经由相应的基于纳米结构的天线106而向每一个单独的输入端108传送单独、独特的信息量。
[0033]该互连的纳米系统100并不仅仅局限于在外部系统103与纳米器件102之间的通信。每一个纳米器件102都可以以类似于通信路径104的方式来与其他纳米器件102通信。
[0034]每一个纳米器件102都可以具有任意数量的纳米管天线106，这些天线被配置成执行接收、发射或是执行这两种处理。在将每一个纳米管天线106调谐到单独的谐振频率的实施例中，可用于在单独的信道上接收数据的纳米管天线106的数量仅仅受限于通信路径104或是每一个单独信道中的可用带宽。但是，其他技术同样也可以用于提升系统100的数据传送能力，例如时间或码信号复用等等。
[0035]天线实验：如图3所示，在与一个样品相距约2英寸的位置放置了一个在频率f＝2.8GHz上谐振的不平衡的双极发射天线，其中该样品包括电极间隔为200微米的碳纳米管接收天线。这个纳米管天线是根据上述方法形成的。
[0036]在检查纳米管接收天线的过程中，通过使用锁定(lock-in)放大器，而将纳米管电流作为以下项的函数来进行测量：RF辐射场是处于开或关，以及在发射天线谐振频率处是(fr＝2.8GHz)否(f＝1GHz)应用了该场。在功率为+5dBm的CW模式中，发射天线是由网络分析器在单个频率上驱动的。
[0037]如图4所示的测量数据所示，当将处于发射天线谐振频率(f＝2.8GHz)处的RF辐射施加于接收纳米管天线的时候，纳米管的DC电导有0.3毫西门子的减小。当在如f＝1GHz这种远离其谐振的频率上驱动发射天线时，由于发射天线效率很低，因此注意不到CNT电导的变化。这些结果表明样品上的CNT充当的是接收天线。
[0038]在以上说明中，本发明是参考其特定实施例而被描述的，但是非常明显的是，在没有脱离本发明的较宽精神实质和范围的情况下，对其的各种修改和变更都是可行的。例如，一个实施例中的每一个特征都可以与其他实施例中显示的其他特征进行混合和匹配。本领域技术人员已知的特征和过程也可以根据需要而被非常类似地引入其中。作为补充并且非常明显的是，这些特征可以根据需要而被添加或减少。相应地，本发明仅仅是根据附加权利要求及其等价物而被限制的。

Claims (26)

1.一种无线互连的系统，包括：
纳米器件，该器件具有至少一个与之耦合的基于纳米结构的天线，其中该纳米器件被配置成经由该基于纳米结构的天线来进行通信。
2.如权利要求1所述的系统，还包括：外部系统，该系统被配置成使用基于纳米结构的天线来与该纳米器件进行通信。
3.一种用于制造互连的纳米系统的方法，包括：
形成具有至少一个通信引线的纳米器件；以及
将基于纳米结构的天线耦合到该通信引线。
4.如权利要求3所述的方法，其中将基于纳米结构的天线耦合到该通信引线包括在该引线上形成一个碳纳米管。
5.一种用于与纳米结构的器件进行通信的方法，其中包括以下步骤：
以无线方式从第一器件传送信息；以及
在第二器件上以无线方式接收信息，其中该第一和第二器件中的至少一个器件是纳米结构的器件。
6.如权利要求5所述的方法，其中该纳米结构的器件包括通信引线以及与该通信引线相耦合的基于纳米结构的天线。
7.如权利要求6所述的方法，其中该基于纳米结构的天线是碳纳米管。
8.一种互连的系统，包括：
第一器件，以及
以无线方式耦合到该第一器件的第二器件，其中该第一和第二器件之一是纳米器件。
9.如权利要求8所述的系统，其中该纳米器件具有至少一个与之耦合的基于纳米结构的天线，并且其中该纳米器件被配置成经由基于纳米结构的天线来进行通信。
10.如权利要求9所述的系统，其中该基于纳米结构的天线是碳单壁纳米管。
11.如权利要求9所述的系统，其中该基于纳米结构的天线是碳双壁纳米管。
12.如权利要求9所述的系统，其中该基于纳米结构的天线是半导体纳米线。
13.如权利要求9所述的系统，其中该基于纳米结构的天线是金属纳米线。
14.如权利要求8所述的系统，其中该纳米器件包括多个通信端口以及与该多个通信端口相耦合的基于纳米结构的天线的阵列。
15.如权利要求14所述的系统，其中该基于纳米结构的天线阵列包括碳单壁纳米管阵列。
16.如权利要求14所述的系统，其中该基于纳米结构的天线阵列包括碳双壁纳米管阵列。
17.如权利要求14所述的系统，其中该基于纳米结构的天线阵列包括半导体纳米线阵列。
18.如权利要求14所述的系统，其中该基于纳米结构的天线阵列包括金属纳米线阵列。
19.一种互连的系统，包括：
第一器件，以及
以无线方式耦合到该第一器件的第二器件，其中该第二器件包括与之耦合的基于纳米结构的天线。
20.如权利要求19所述的系统，其中该第二器件被配置成经由该基于纳米结构的天线来进行通信。
21.如权利要求19所述的系统，其中该基于纳米结构的天线是由包含纳米结构元件的复合材料形成的。
22.如权利要求21所述的系统，其中该纳米结构元件是纳米管。
23.如权利要求19所述的系统，其中该基于纳米结构的天线是碳单壁纳米管。
24.如权利要求19所述的系统，其中该基于纳米结构的天线是碳双壁纳米管。
25.如权利要求19所述的系统，其中该基于纳米结构的天线是半导体纳米线。
26.如权利要求19所述的系统，其中该基于纳米结构的天线是金属纳米线。
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