Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     Siemens  n-tv 
Datenbankrecherche:

Fachgebiet (optional):

 

UB Engineers Prove That Carbon Nanotubes Are Superior to Metals for Electronics

24.03.2009
In the quest to pack ever-smaller electronic devices more densely with integrated circuits, nanotechnology researchers keep running up against some unpleasant truths: higher current density induces electromigration and thermomigration, phenomena that damage metal conductors and produce heat, which leads to premature failure of devices.

Anzeige

But University at Buffalo researchers who study electronics packaging recently made a pleasant discovery: that's not the case with Single-Walled Carbon Nanotubes (SWCNTs).


"Years ago, everyone thought that the problem of cooling for electronics could be solved," said Cemal Basaran, Ph.D., professor in the UB Department of Civil, Structural and Environmental Engineering and director of the Electronics Packaging Lab in UB's School of Engineering and Applied Sciences. "Now we know that's not true. Electronics based on metals have hit a wall. We are done with metals."

Single Walled Carbon Nanotubes are extremely thin, hollow cylinders, measuring no thicker than a single atom. Thousands of times stronger than metals, they are expected to one day replace metals in millions of electronic applications.

Basaran and his doctoral student Tarek Ragab have spent the past four years performing quantum mechanics calculations, which prove that in carbon nanotubes, higher current density does not lead to electromigration and thermomigration; it also produces just one percent of the heat produced by traditional metals, such as copper.

Basaran will present the findings in November when he delivers a keynote lecture at the American Society of Mechanical Engineers (ASME) International Mechanical Engineering Congress and Exposition in Orlando.

The findings demonstrate yet another tantalizing property of CNTs, he said.

"It has been assumed that for carbon nanotubes, the electrical heating process would be governed by Joules law, where resistance in a circuit converts electric energy into heat," said Basaran. "We are the first to show mathematically, from a quantum mechanics point of view, that carbon nanotubes do not follow Joules law."

According to Basaran, this essential difference between metals and carbon nanotubes lies in the way they conduct electricity.

"Even though carbon nanotubes are conductive, they do not have metallic bonds," he said. "As a result, they do not conduct electricity the way that traditional metals do."

In conventional metals, he explained, conduction causes a scattering of electrons within the lattice of the material so that, when electrons move during conduction, they bump into atoms. This creates friction and generates heat, the same way a household iron works.

"On the other hand, in carbon nanotubes, electric conduction happens in a very different, one-dimensional 'ballistic' way," he said. "The electrons are fired straight through the material, so that the electrons have very little interference with the atoms."

He drew an analogy, using the difference between a conventional railroad train and a magnetically levitated train.

"In the conventional train, you have friction between the wheels and the track," said Basaran. "Through the generation of heat, that friction causes a loss of energy. But with a magnetically levitated train, the wheels and track are not in direct contact. Without that friction, they can travel much faster."

The minimal amount of friction gives carbon nanotubes a tremendous advantage over conventional metals, said Basaran. The unique properties of carbon nanotubes will allow engineers to realize a host of smaller, faster and more powerful new devices that right now cannot exist because of the limitations of conventional metals.

"When an electric car finally is manufactured, its batteries probably will be based on carbon nanotubes," said Basaran. "You can't use traditional metals in the engines because they run so hot."

Much of Basaran's $1 million-plus funding at UB comes from sources like the U.S. Navy, which is interested in sophisticated electronics systems that could operate under very demanding conditions, such as the electric ship the Navy is building.

Basaran's unique perspective comes from decades of research, which has fundamentally changed what is known about the high current density performance properties of metals and their limitations.

He also sounded a cautionary note, pointing out that current research and development expenditures on carbon nanotubes in the U.S. electronics industry are very small when compared to those of our Asian competitors.

"If the industry continues this way, when carbon nanotube-based electronics become a reality, U.S. electronics manufacturers may be in a position similar to U.S. car manufacturers today, because they have failed to keep up with advances in engineering," he said.

Basaran and his colleagues in the Electronics Packaging Lab actively participate in the UB 2020 strategic strength in Integrated Nanostructured Systems, which brings together physicists and engineers to further enhance and understand nanotechnologies like carbon nanotubes.

The University at Buffalo is a premier research-intensive public university, a flagship institution in the State University of New York system and its largest and most comprehensive campus. UB's more than 28,000 students pursue their academic interests through more than 300 undergraduate, graduate and professional degree programs. Founded in 1846, the University at Buffalo is a member of the Association of American Universities.

Ellen Goldbaum | Quelle: EurekAlert!
Weitere Informationen: www.buffalo.edu

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht „All4Green“ – Rechnen, wenn der Wind bläst
24.05.2012 | Universität Mannheim

nachricht Komplexität beherrschen
23.05.2012 | Siemens AG

Alle Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>


Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit


Krankheiten wie Parkinson, Alzheimer und bestimmte Krebsformen gehen auf eine fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen im Körper zurück.

Wissenschaftlern des Instituts für Photonische Technologien (IPHT) in Jena ist es erstmals gelungen, Proteinstrukturen auf sub-molekularer Ebene nachzuweisen und spektroskopisch zu analysieren. Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Krankheitsursachen.

„Bis heute hat man nicht genau verstanden, was die fehlerhafte Faltung und Aggregation von Eiweißen, zum Beispiel im Zusammenhang mit Alzheimer, ...

Im Focus: Widerspenstiges Quasiteilchen erzeugt


Die Quantenphysik beschreibt physikalische Vorgänge in Festkörpern und anderen Vielteilchensystemen auch mit Hilfe von Quasiteilchen.

Innsbrucker Physikern um Rudolf Grimm ist es nun erstmals gelungen, ein neues Quasiteilchen - ein repulsives Polaron - in einem Quantengas experimentell zu erzeugen. Die Forscher berichten darüber in der Online-Ausgabe der Fachzeitschrift Nature.

Ultrakalte Quantengase sind ein ideales Experimentierfeld, um physikalische Phänomene in Festkörpern zu simulieren. Unter streng kontrollierten Bedingungen ...

Im Focus: Licht lässt Partikel wachsen - Forscher entdecken neuen Mechanismus in der Atmosphäre


Licht lässt die Partikel in der Atmosphäre wachsen. In einem Experiment hat ein internationales Forscherteam erstmals einen neuen Mechanismus nachweisen können, bei dem Partikel durch Licht größer werden und der damit Einfluss auf die Wolkenbildung und das Klima hat.

Photokatalytische Reaktionen können zu einer schnellen Bindung von nicht kondensierenden flüchtigen organischen Kohlenwasserstoffen (VOCs) auf der Oberfläche der Partikel führen. Unter solchen Bedingungen nehme die Größe und Masse der Partikel schnell zu, schreiben die Wissenschaftler im renommierten Fachblatt PNAS.

Die Ergebnisse des Laborexperimentes könnten Effekte erklären, die bisher schon bei Feldkampagnen ...

Im Focus: Abschreckung: Tabak signalisiert angreifenden Zikaden Verteidigungsbereitschaft


Ähnlich wie blutsaugende Insekten prüfen Pflanzenschädlinge ihren Wirt auf Abwehrsignale, bevor sie anfangen zu fressen

Pflanzen bilden wenige Minuten nach Angriff eines Fraßfeindes Jasmonsäure, ein Hormon, das die Verteidigung gegen Insekten in Gange setzt mit der Folge, dass giftige Stoffe wie Nikotin oder Verdauungshemmer in den Blättern akkumulieren.

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für chemische Ökologie, Jena, haben jetzt herausgefunden, dass Zwergzikaden die Verteidigungsbereitschaft von Tabakpflanzen aufspüren können. ...

Im Focus: Erbgutkopie reist im Protein-Koffer


Wissenschaftlern vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Bonn ist es erstmals gelungen, den Transport eines wichtigen Informationsträgers in biologischen Zellen praktisch unmodifiziert in Echtzeit zu filmen.

Die Studie zeigt, wie die so genannte Boten-RNA die Zellkernhülle überwindet und vom Zellkern in das Zytoplasma gelangt. Diese Arbeit ist nun in dem renommierten Journal „Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA“ (PNAS) publiziert.

Der Bauplan aller Lebewesen ist in ihrem Erbgut gespeichert. Dieses lagert bei höheren ...

Alle Focus-News des innovations-reports >>>

Anzeige

B2B Suche
Produkt / Dienstleistung
Firma / Organisation

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Aktuell

Energieversorger vor dem Umbruch

24.05.2012 | Studien Analysen

Stem-cell-growing surface enables bone repair

24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie

Im wahrsten Sinne „Spitzenforschung“: IPHT-Forscher untersuchen Eiweißfasern mit größter Genauigkeit

24.05.2012 | Biowissenschaften Chemie

VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Veranstaltungen

NieKE Themenforum: Ökonomie - Tierschutz - Lebensmittelsicherheit

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Nachhaltigkeit in der Schifffahrt: Werte vs. Wertschöpfung

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

Wissenschaft und Öffentlichkeit

24.05.2012 | Veranstaltungsnachrichten

FindAndHelp