碳納米管：讓晶體管加速退出歷史舞臺

游宇翔

如果你關(guān)注碳納米管，那你肯定聽過這些描述：“碳納米管是最好的……”“碳納米管是革命性的”。1991年，日本科學(xué)家飯島澄男在《自然》雜志上發(fā)表一篇論文，碳納米管這項技術(shù)由此出現(xiàn)。前途看起來一片光明，材料學(xué)家似乎戴著墨鏡都能感受到光明。人們期望通過碳納米管和硅芯片技術(shù)生產(chǎn)更小、更快和更高效的晶體管以改變世界電子工業(yè)。

電子工業(yè)領(lǐng)域?qū)σ环N由一個碳原子厚度的碳晶體制成的單壁管很感興趣，這種晶體管的直徑為1納米，約為人類頭發(fā)直徑的萬分之一。

碳和硅均為半導(dǎo)體。然而，由于其體積都很小，由碳納米管制成的半導(dǎo)體管，在芯片上設(shè)置導(dǎo)體管的數(shù)量為數(shù)十億個，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于用硅片制成的晶體管。

碳納米芯片不僅更小，處理速度也更快、更高效，而且其發(fā)熱量比硅片更低。換句話說，碳納米芯片具有極高的處理速度和更長的電池壽命，發(fā)熱量也不會很高，也無需風(fēng)扇散熱。所以，當(dāng)飯島發(fā)表論文時，也就不難理解為什么業(yè)界那么興奮。

實際上，有三大難題阻礙著碳納米電子技術(shù)形成規(guī)?；I(yè)。

1.混合問題。納米管造出來時，有兩種類型的碳納米管將會混雜在一起。一種類型是半導(dǎo)體，它是制造集成電路所必須的。另一種類型是金屬，導(dǎo)電性與電線相當(dāng)，但它能顯著降低甚至破壞集成電路的性能。碳納米管制成可靠的集成電路要求納米管是百分之百的半導(dǎo)體，而目前已有方法分離金屬碳納米和半導(dǎo)體。

2.電阻問題。通過納米管和集成電路的金屬組件之間的連接，使其導(dǎo)電是個問題，因為電阻會隨著連接物尺寸的減小而增大。人們需要有效地利用碳納米管，包括10納米以及10納米以下的連接物。但從結(jié)果來看，電阻過高導(dǎo)致無法實現(xiàn)。增加芯片的尺寸就意味著減少芯片上的納米管，如此一來，碳納米管相對于硅片的優(yōu)勢也會消失。

3.隊列問題。當(dāng)今世界上最先進(jìn)的電腦芯片是一顆14納米制成的芯片，上面有超過70億個晶體管。從硅片到碳納米管的轉(zhuǎn)變使在同一空間可放置更多的晶體管。要在一個極小的表面上放置數(shù)十億個晶體管，這要求精確地對齊校準(zhǔn)和納米管的間距?，F(xiàn)在的問題就是要找到可靠的方法以實現(xiàn)這一精密布局。

混合問題

去年4月，美國伊利諾伊大學(xué)一團隊開發(fā)出一種廉價的方法，以此消除金屬和半導(dǎo)體碳納米管混合物中的金屬碳納米管。他們找到一張位于金屬條上的碳納米管，并在納米管上涂了一層有機金屬，然后在這個金屬條上傳導(dǎo)一陣低壓電流。此時導(dǎo)電的金屬納米管發(fā)熱了，而半導(dǎo)體納米管的溫度保持不變因為它不導(dǎo)電。高熱會熔化涂在金屬納米管上的有機材料，它會因此變干、腐蝕，所以人們選擇這種方法除去金屬碳納米管，留下半導(dǎo)體碳納米管。

美國麥克馬斯特大學(xué)一小組提出解決混合問題的另一方案。有許多方法隔離金屬碳納米管，包括通過安裝半導(dǎo)體碳納米管在負(fù)電子聚合物內(nèi)把半導(dǎo)體碳納米管消除掉。研究人員修改了電子聚合物，使其處于少電子狀態(tài)。這一簡單的改變扭轉(zhuǎn)了其凈化過程。在聚合物上的金屬碳納米管被清除掉，只留下半導(dǎo)體碳納米管。

電阻問題

去年，美國IBM公司一主導(dǎo)團隊報道了解決這個電阻問題，即用典型的金屬接觸器一般連接在碳納米管的頂部或四周，IBM團隊把接觸器安置在碳納米管的兩端。他們在納米管上加入金屬部件，并把它加入到鉬硬質(zhì)合金集成電路上。

英特爾公司也在現(xiàn)有頂級芯片制程中使用了14納米。英特爾打算在2017年推出10納米制程的芯片。IBM的團隊創(chuàng)建了碳納米晶體管。試驗顯示，接觸長度從300納米減少到10納米，其電阻并沒有增加。

排列問題

2014年3月，美國威斯康星大學(xué)一團隊開發(fā)出一項技術(shù)，稱之為“劑量控制，浮動蒸發(fā)自組裝”，這給隊列問題提供了一解決方案。其工作原理是，在一個容器里裝點水，然后將一個薄的矩形底板置于容器底部。試想象一6英寸的尺子在一平底鍋外面豎直起來的樣子。一滴包含半導(dǎo)體納米管的溶液滴進(jìn)底板附近的水里。結(jié)果液滴在水面上擴散開來，碳納米管穿過底板表層，而底板的表面又與水接觸。

為控制沉積在底板上的碳納米管的厚度和密度，應(yīng)緩慢地把底板從水里拉上來。隨著底板慢慢拉出，水里的碳納米管已所剩無幾，最后就都流失掉。若這個底板達(dá)到要求的厚度，又往里滴一滴碳納米管溶液，這只是重復(fù)了之前的動作。但該過程在碳納米管間產(chǎn)生一系列精確的碳納米管隊列，之后可用在集成電路上。不久的將來，威斯康星團隊將開發(fā)出排列整齊的納米管。

融會貫通

2013年9月，美國斯坦福大學(xué)一研究小組在《自然》雜志上發(fā)文，描述了第一臺裝載碳納米管的電腦。這臺電腦的處理器有178個晶體管，均用碳納米管制成，其性能相當(dāng)于英特爾1971年出售的第一批處理器。以今天的標(biāo)準(zhǔn)來看，這個系統(tǒng)確實落后，但不可否認(rèn)的是，碳納米管可代替硅片制造電腦。

三年后，今年9月2日，威斯康星大學(xué)研究小組在《科學(xué)》雜志上發(fā)文稱，研究人員利用陣列問題、混合問題和電阻問題解決方案制造了碳納米晶體管。這種碳納米管的性能比現(xiàn)今最先進(jìn)的硅晶體管更加出色。該文出版前，碳納米管相對于硅的優(yōu)越性只是在理論模型上表現(xiàn)過。該團隊讓碳納米管制造的半導(dǎo)體管發(fā)揮出最先進(jìn)的性能，從而使該領(lǐng)域從理論走向現(xiàn)實，實現(xiàn)了飛躍。

碳納米管器件的性能確實是巨大的進(jìn)步，但也僅僅是一步而已。在不久的將來，我們不會再使用設(shè)置碳納米芯片的電子設(shè)備，這里的關(guān)鍵詞是“不遠(yuǎn)的將來”。2016年8月31日，日本富士通半導(dǎo)體公司宣布，他們將于2018年底在產(chǎn)品中使用Nantero公司的碳納米管隨機存取存儲器。

人們普遍認(rèn)為，硅片的處理能力最多也就只能持續(xù)到2019年。為此，IBM正在努力制造可行的碳納米商用芯片，并計劃在2020年投入市場。會成功嗎？沒人敢保證。但最近的進(jìn)步正在克服碳納米管集成電路中的各種問題，可能還會遇到更多問題，但碳納米管取代晶體管已成為必然。

（據(jù)美國財富雜志最新資料http：//www.forbes.com/sites/kevinmurnane/2016/09/08/carbon-nanotubes-are-getting-closer-to-making-our-electronic-devices-obsolete/#7600316043bb）