宇宙の過酷な環境に耐える電子機器を実現するカーボンナノチューブ

ナノテクノロジー

火星に宇宙飛行士を送るNASAの「Orion(オリオン)」に代表される宇宙ミッションは、人類の探査の限界に挑戦しています。

しかし、宇宙空間を移動する間、宇宙船は有害な宇宙放射線に絶え間なく遭遇し、搭載された電子機器に悪影響を及ぼしたり、破壊したりする可能性があります。

ACS Nano誌に発表された研究者たちは、将来のミッションを拡張するために、カーボンナノチューブを用いたトランジスタや回路が、大量の放射線を浴びても電気的特性やメモリーを維持するように構成できることを示しています。

現在、深宇宙ミッションの寿命と距離は、ミッションを推進する技術のエネルギー効率と堅牢性によって制限されています。

例えば、宇宙空間での過酷な放射線は、電子機器にダメージを与え、データの不具合を引き起こすだけでなく、コンピュータが完全に故障してしまうこともあります。

そこで、電界効果型トランジスタなど、広く使われている電子部品にカーボンナノチューブを組み込むことが考えられます。

これにより、従来のシリコンベースのトランジスタに比べて、エネルギー効率が向上することが期待されます。

大量の放射線を浴びても電気的特性と記憶力を維持したカーボンナノチューブを用いたトランジスタでメモリチップを作った。

大量の放射線を浴びても電気的特性と記憶力を維持したカーボンナノチューブを用いたトランジスタでメモリチップを作った。©ACS Nano 2021, DOI: 10.1021/acsnano.1c04194

原理的には、ナノチューブが超小型であることは、この材料を搭載したメモリーチップに放射線が当たったときの影響を軽減することにもつながります。

しかし、カーボンナノチューブ電界効果型トランジスタの放射線耐性については、あまり研究されていません。

そこで、Pritpal Kanhaiya氏、Max Shulaker氏らは、このタイプの電界効果型トランジスタを高レベルの放射線に耐えられるように設計し、このトランジスタを搭載したメモリチップを作ることができるかどうかを調べました。

研究者たちは、電界効果型トランジスタの半導体層として、シリコンウェハー上にカーボンナノチューブを堆積させました。

そして、酸化ハフニウムやチタン、プラチナなどの金属の薄膜で構成されたシールドを、半導体層の周囲にさまざまなレベルで配置して、さまざまなトランジスタの構成をテストしました。

その結果、カーボンナノチューブの上下に遮蔽物を設置することで、10Mradまでの放射線に対してトランジスタの電気的特性を保護できることがわかりました。

一方、カーボンナノチューブの下にのみシールドを設置した場合は、2Mradまで保護され、これは市販のシリコンベースの耐放射線性電子機器と同等のレベルでした。

そして、製造の容易さと耐放射線性のバランスをとるために、ボトムシールド版の電界効果トランジスタを用いて、スタティック・ランダム・アクセス・メモリー(SRAM)チップを作成しました。

このメモリチップは、トランジスタで行った実験と同様に、シリコンベースのSRAMデバイスと同等のX線照射閾値を有していました。

これらの結果は、カーボンナノチューブ電界効果型トランジスタ、特に二重シールド型電界効果トランジスタが、宇宙探査用の次世代電子機器に有望であることを示しているといいます。

Published by American Chemical Society. Pritpal S. Kanhaiya et al, Carbon Nanotubes for Radiation-Tolerant Electronics, ACS Nano (2021). DOI: 10.1021/acsnano.1c04194.