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碳纳米晶体管将会替代新型材料晶体硅吗?

2017-05-17
类别:行业趋势
eye 637
文章创建人 拍明

      第一个碳纳米晶体管(Carbon Nanotube Transistor)阵列,是由IBM的研究人员制造出来的,[1] 利用这一突破性的晶体管技术,制造的芯片将比硅芯片更小更快。

碳纳米晶体管阵列所利用的碳纳米晶体管是有碳原子排列而成的微小圆柱体,比现在的硅晶体管小100倍,而且不用对他们逐个处理,即不用从大量的纳米光中去费力的寻找有用的电子属性个体。研究表明,碳纳米晶体管性能上可以和硅一争高低,[2] 而且碳纳米晶体管可以制造的更小。在未来,硅芯片已经不能被制造得更小,因而必须寻找新的的制造计算机芯片的材料,碳纳米晶体管将是很好的选择。

根据大小形状的不同,碳纳米管的属性可以分为金属型和半导体型两种。再将碳纳米管用做晶体管过程中,科学家们遇到的难题是人工制造的碳纳米晶体管是两种属性的混合体。这两种属性晶体管相互粘连呈线状或束状,这样就使碳纳米管用途大打折扣,因为只有半导体属性的碳纳米管才可以作为晶体管,而且当碳纳米晶体管两种属性粘连在一起时,金属性比半导体性还强。逐个处理碳纳米管的工作是缓慢而且繁琐的,但又没有实际的方法将金属型和半导体分开,这便成为将碳纳米管用作晶体管的最大障碍。

据美国威斯康星大学麦迪逊分校官网近日报道,该校材料学家成功研制的1英寸大小碳纳米晶体管,首次在性能上超越硅晶体管和砷化镓晶体管。这一突破是碳纳米管发展的重大里程碑,将引领碳纳米管在逻辑电路、高速无线通讯和其他半导体电子器件等技术领域大展宏图。

碳纳米管管壁只有一个原子厚,是最好的导电材料之一,因而被认为是最有前景的下一代晶体管材料。碳纳米管的超小空间使得它能够快速改变流经它的电流方向,因此能达到5倍于硅晶体管的速度或能耗只有硅晶体管的1/5。由于一些关键技术挑战无法攻克,碳纳米晶体管的性能表现远远落后于硅晶体管和砷化镓晶体管,无法在计算机芯片和个人电子产品中得到运用。

而最新的碳纳米晶体管获得的电流是硅晶体管的1.9倍,性能首次超越目前技术水平最高的硅晶体管。材料工程学教授迈克·阿诺德和帕德玛·高帕兰领导的研究团队在《科学进展》上发表的最新研究论文介绍。

碳纳米管内往往会混杂一些金属纳米管,这些金属纳米管会造成电子装置短路,从而破坏碳纳米管的导电性能。而研究团队利用聚合物获得了去除金属纳米管的独有条件,最终将金属纳米管的含量降到0.01%以下,几乎是超高纯度的碳纳米管。

研究团队还研发出一种溶解方法,成功移除碳纳米管制造过程中产生的残渣。阿诺德表示:我们的研究同时克服了碳纳米管面临的多重障碍,最终获得了性能首超硅晶体管的1英寸碳纳米晶体管。碳纳米管的许多设想仍有待实现,但我们终于在二十年后实现了赶超。

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。

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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115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。

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。

 



责任编辑:Davia

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