碳纳米管晶体管取代硅芯片成为了可能
2015/1/19 10:29:29 点击：
科技日报讯 (记者王小龙)美国威斯康星大学麦迪逊分校的科学家日前在碳纳米管晶体管制造技术上获得了一项突破。由其开发出的新型高性能碳纳米管晶体管成功突破了纯度和阵列控制两大难题，在开关速度上获得了比普通硅晶体管快1000倍，比此前最快的碳纳米管晶体管快100倍的成绩。碳纳米管晶体管向正式商用迈出了关键一步。相关论文发表在《美国化学学会·纳米》杂志上。
碳纳米管是将单层的碳原子薄片卷起形成的管状材料，作为一种半导体材料，碳纳米管有很多优于硅的天然属性，其中的电子可以比硅晶体管更轻松地转移，实现更快速的数据传输，很早就被认为是制造下一代晶体管的理想材料。此外，这种材料还具备很好的强度和柔性，可以用来制造柔性显示器和电子设备，经得起拉伸与弯曲，让电子设备能够集成到衣服或其他可穿戴设备上。
然而，制造高性能的碳纳米管晶体管面临着两大技术难题。一是要达到极高的纯度，因为碳纳米管中的金属杂质会像铜线一样导致设备短路，只有高纯度才能获得高效率;二是精度极高的阵列控制，要将数量众多的碳纳米管塞进指甲盖大小的芯片就必须精确地控制好各个碳纳米管之间的距离。
在新的研究中，威斯康星大学麦迪逊分校材料学副教授迈克尔·阿诺德和帕德玛·高普兰教授领导的研究团队成功突破了这两个难关。凭借在碳纳米管领域二十多年的积累，他们使用聚合体筛选技术找到了制造高纯度碳纳米管半导体的解决方案。而后又用一种被称为“浮动蒸发自组装(FESA)”的技术解决了碳纳米管的阵列问题。
物理学家组织网1月15日报道称，先前的技术精度控制较差，碳纳米管填充的密度要么过于稀少，要么太过紧密。威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员通过对碳纳米管溶液的快速蒸发触发其自组装现象，让这一问题迎刃而解。该团队曾在2014年美国化学学会学术期刊《朗缪尔》上对该技术进行过介绍。
阿诺德说：“这不是一次简单的改进。有了这些成果，我们让碳纳米管晶体管技术得到了飞跃式的发展。新型碳纳米管在性能上远优于目前工业上所使用的薄膜晶体管。最新的进步让碳纳米管晶体管取代硅芯片成为了可能，而后者在尺寸和性能上已经达到了极限。除了为新一代消费类电子产品铺路，这项技术也可能在工业以及军事上获得应用。”
据悉，阿诺德的团队已经通过威斯康星大学校友研究基金会为该技术申请了专利，并与一些企业进行了接触。
总编辑圈点
拜伟大的摩尔定律所赐，几十年来微芯片技术一次又一次地突破了工艺极限。为了进展到下一个硅晶时代，除了各种缺陷和掺杂不均的问题之外，业界还面临着硅晶体管尺寸进一步缩小的挑战，硅基芯片的物理极限很可能成为不可逾越的障碍。因此，人们一直在努力寻找能够替代当前硅芯片的物质，碳纳米管就是主要的研究方向之一。一旦现在的硅晶体管技术发展到了尽头，文中所述的新技术有望帮助碳纳米管成为硅的替代品。
碳纳米管是将单层的碳原子薄片卷起形成的管状材料，作为一种半导体材料，碳纳米管有很多优于硅的天然属性，其中的电子可以比硅晶体管更轻松地转移，实现更快速的数据传输，很早就被认为是制造下一代晶体管的理想材料。此外，这种材料还具备很好的强度和柔性，可以用来制造柔性显示器和电子设备，经得起拉伸与弯曲，让电子设备能够集成到衣服或其他可穿戴设备上。
然而，制造高性能的碳纳米管晶体管面临着两大技术难题。一是要达到极高的纯度，因为碳纳米管中的金属杂质会像铜线一样导致设备短路，只有高纯度才能获得高效率;二是精度极高的阵列控制，要将数量众多的碳纳米管塞进指甲盖大小的芯片就必须精确地控制好各个碳纳米管之间的距离。
在新的研究中，威斯康星大学麦迪逊分校材料学副教授迈克尔·阿诺德和帕德玛·高普兰教授领导的研究团队成功突破了这两个难关。凭借在碳纳米管领域二十多年的积累，他们使用聚合体筛选技术找到了制造高纯度碳纳米管半导体的解决方案。而后又用一种被称为“浮动蒸发自组装(FESA)”的技术解决了碳纳米管的阵列问题。
物理学家组织网1月15日报道称，先前的技术精度控制较差，碳纳米管填充的密度要么过于稀少，要么太过紧密。威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员通过对碳纳米管溶液的快速蒸发触发其自组装现象，让这一问题迎刃而解。该团队曾在2014年美国化学学会学术期刊《朗缪尔》上对该技术进行过介绍。
阿诺德说：“这不是一次简单的改进。有了这些成果，我们让碳纳米管晶体管技术得到了飞跃式的发展。新型碳纳米管在性能上远优于目前工业上所使用的薄膜晶体管。最新的进步让碳纳米管晶体管取代硅芯片成为了可能，而后者在尺寸和性能上已经达到了极限。除了为新一代消费类电子产品铺路，这项技术也可能在工业以及军事上获得应用。”
据悉，阿诺德的团队已经通过威斯康星大学校友研究基金会为该技术申请了专利，并与一些企业进行了接触。
总编辑圈点
拜伟大的摩尔定律所赐，几十年来微芯片技术一次又一次地突破了工艺极限。为了进展到下一个硅晶时代，除了各种缺陷和掺杂不均的问题之外，业界还面临着硅晶体管尺寸进一步缩小的挑战，硅基芯片的物理极限很可能成为不可逾越的障碍。因此，人们一直在努力寻找能够替代当前硅芯片的物质，碳纳米管就是主要的研究方向之一。一旦现在的硅晶体管技术发展到了尽头，文中所述的新技术有望帮助碳纳米管成为硅的替代品。
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