互连的纳米系统

申请号 CN200580027364.8 申请日 2005-08-12 公开(公告)号 CN101208826A 公开(公告)日 2008-06-25
申请人 加州大学评议会; 发明人 P·J·伯克;
摘要 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。
权利要求

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。

说明书全文

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 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。
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