碳納米管晶體管取代硅芯片成為了可能
2015/1/19 10:29:29 點擊：
科技日報訊 (記者王小龍)美國威斯康星大學麥迪遜分校的科學家日前在碳納米管晶體管制造技術上獲得了一項突破。由其開發出的新型高性能碳納米管晶體管成功突破了純度和陣列控制兩大難題，在開關速度上獲得了比普通硅晶體管快1000倍，比此前最快的碳納米管晶體管快100倍的成績。碳納米管晶體管向正式商用邁出了關鍵一步。相關論文發表在《美國化學學會·納米》雜志上。
碳納米管是將單層的碳原子薄片卷起形成的管狀材料，作為一種半導體材料，碳納米管有很多優于硅的天然屬性，其中的電子可以比硅晶體管更輕松地轉移，實現更快速的數據傳輸，很早就被認為是制造下一代晶體管的理想材料。此外，這種材料還具備很好的強度和柔性，可以用來制造柔性顯示器和電子設備，經得起拉伸與彎曲，讓電子設備能夠集成到衣服或其他可穿戴設備上。
然而，制造高性能的碳納米管晶體管面臨著兩大技術難題。一是要達到極高的純度，因為碳納米管中的金屬雜質會像銅線一樣導致設備短路，只有高純度才能獲得高效率;二是精度極高的陣列控制，要將數量眾多的碳納米管塞進指甲蓋大小的芯片就必須精確地控制好各個碳納米管之間的距離。
在新的研究中，威斯康星大學麥迪遜分校材料學副教授邁克爾·阿諾德和帕德瑪·高普蘭教授領導的研究團隊成功突破了這兩個難關。憑借在碳納米管領域二十多年的積累，他們使用聚合體篩選技術找到了制造高純度碳納米管半導體的解決方案。而后又用一種被稱為“浮動蒸發自組裝(FESA)”的技術解決了碳納米管的陣列問題。
物理學家組織網1月15日報道稱，先前的技術精度控制較差，碳納米管填充的密度要么過于稀少，要么太過緊密。威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員通過對碳納米管溶液的快速蒸發觸發其自組裝現象，讓這一問題迎刃而解。該團隊曾在2014年美國化學學會學術期刊《朗繆爾》上對該技術進行過介紹。
阿諾德說：“這不是一次簡單的改進。有了這些成果，我們讓碳納米管晶體管技術得到了飛躍式的發展。新型碳納米管在性能上遠優于目前工業上所使用的薄膜晶體管。最新的進步讓碳納米管晶體管取代硅芯片成為了可能，而后者在尺寸和性能上已經達到了極限。除了為新一代消費類電子產品鋪路，這項技術也可能在工業以及軍事上獲得應用。”
據悉，阿諾德的團隊已經通過威斯康星大學校友研究基金會為該技術申請了專利，并與一些企業進行了接觸。
總編輯圈點
拜偉大的摩爾定律所賜，幾十年來微芯片技術一次又一次地突破了工藝極限。為了進展到下一個硅晶時代，除了各種缺陷和摻雜不均的問題之外，業界還面臨著硅晶體管尺寸進一步縮小的挑戰，硅基芯片的物理極限很可能成為不可逾越的障礙。因此，人們一直在努力尋找能夠替代當前硅芯片的物質，碳納米管就是主要的研究方向之一。一旦現在的硅晶體管技術發展到了盡頭，文中所述的新技術有望幫助碳納米管成為硅的替代品。
碳納米管是將單層的碳原子薄片卷起形成的管狀材料，作為一種半導體材料，碳納米管有很多優于硅的天然屬性，其中的電子可以比硅晶體管更輕松地轉移，實現更快速的數據傳輸，很早就被認為是制造下一代晶體管的理想材料。此外，這種材料還具備很好的強度和柔性，可以用來制造柔性顯示器和電子設備，經得起拉伸與彎曲，讓電子設備能夠集成到衣服或其他可穿戴設備上。
然而，制造高性能的碳納米管晶體管面臨著兩大技術難題。一是要達到極高的純度，因為碳納米管中的金屬雜質會像銅線一樣導致設備短路，只有高純度才能獲得高效率;二是精度極高的陣列控制，要將數量眾多的碳納米管塞進指甲蓋大小的芯片就必須精確地控制好各個碳納米管之間的距離。
在新的研究中，威斯康星大學麥迪遜分校材料學副教授邁克爾·阿諾德和帕德瑪·高普蘭教授領導的研究團隊成功突破了這兩個難關。憑借在碳納米管領域二十多年的積累，他們使用聚合體篩選技術找到了制造高純度碳納米管半導體的解決方案。而后又用一種被稱為“浮動蒸發自組裝(FESA)”的技術解決了碳納米管的陣列問題。
物理學家組織網1月15日報道稱，先前的技術精度控制較差，碳納米管填充的密度要么過于稀少，要么太過緊密。威斯康星大學麥迪遜分校的研究人員通過對碳納米管溶液的快速蒸發觸發其自組裝現象，讓這一問題迎刃而解。該團隊曾在2014年美國化學學會學術期刊《朗繆爾》上對該技術進行過介紹。
阿諾德說：“這不是一次簡單的改進。有了這些成果，我們讓碳納米管晶體管技術得到了飛躍式的發展。新型碳納米管在性能上遠優于目前工業上所使用的薄膜晶體管。最新的進步讓碳納米管晶體管取代硅芯片成為了可能，而后者在尺寸和性能上已經達到了極限。除了為新一代消費類電子產品鋪路，這項技術也可能在工業以及軍事上獲得應用。”
據悉，阿諾德的團隊已經通過威斯康星大學校友研究基金會為該技術申請了專利，并與一些企業進行了接觸。
總編輯圈點
拜偉大的摩爾定律所賜，幾十年來微芯片技術一次又一次地突破了工藝極限。為了進展到下一個硅晶時代，除了各種缺陷和摻雜不均的問題之外，業界還面臨著硅晶體管尺寸進一步縮小的挑戰，硅基芯片的物理極限很可能成為不可逾越的障礙。因此，人們一直在努力尋找能夠替代當前硅芯片的物質，碳納米管就是主要的研究方向之一。一旦現在的硅晶體管技術發展到了盡頭，文中所述的新技術有望幫助碳納米管成為硅的替代品。
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