做座集成电路未来的新方向碳基晶体管

集成电路未来的新方向？碳基晶体管

基于碳而不是硅的晶体管可以给计算机带来更快的速度，并大幅降低功耗（想想一部可以保持数月的电量），但是从目前看来，构建有效的碳基电路所需的工具集仍然不完整。

加州大学伯克利分校的化学家和物理学家团队终于在工具箱中创建了最后一个工具，即完全由碳制成的金属线，这为进一步开展研究以建立碳基晶体管奠定了基础。加州大学伯克利分校化学教授Felix Fischer表示：“将这种技术整合在一起，是在碳纤维材料领域内，停留在相同的材料中，”他指出，用相同的材料制造所有电路元件的能力可以制造出来，且更轻松。“这是在全碳基集成电路架构的全局中缺少的关键事物之一。”Felix Fischer强调金属线（例如用于连接计算机芯片中晶体管的金属通道）将电子从一个设备运到另一个设备，并互连晶体管（计算机的构建模块）中的半导体元件。加州大学伯克利分校（UC Berkeley）小组已经致力于如何用石墨烯纳米带（graphene nanoribbons）制造半导体和绝缘体，石墨烯纳米带是一维窄的，只有一个原子厚的石墨烯带，这种结构完全由碳原子组成，排列成相互连接的六角形，类似于鸡肉线。新的碳基金属也是石墨烯纳米带，但设计时要注意全碳晶体管中半导体纳米带之间的导电电子。Fischer的同事，加州大学伯克利分校的物理学教授Michael Crommie说，金属纳米带是通过将它们由较小的相同构造块组装而成的，采用自下而上的方法。每个结构单元均贡献一增进塑料行业向高端迈进个电子，该电子可沿纳米带自由流动。尽管其他碳基材料（如扩展的2D石墨烯和碳纳米管片）可以是金属的，但它们也存在问题。例如，将2D石墨烯薄片重塑为纳米级条，可自发地将其变成半导体，甚至绝缘体。碳纳米管是极好的导体，不能以与纳米带相同的精度和可重复性大量制备。Crommie说：“纳米带使我们能够使用自底向上的方朗盛公司2011年9月底表示法化学访问各种结构，而纳米管尚无法做到这一点。” “这使我们能够将电子基本缝合在一起，以创建金属纳米带，而以前没有做过。这是石墨烯纳米带技术领域的重大挑战之一，也是我们对此感到如此兴奋的原因。”金属石墨烯纳米带（具有宽的，部分填充的金属电子带特征）具有可与2D石墨烯本身相媲美的电导率。我们认为金属线确实是一项突破；Fischer补充道，这是我们首次有意用碳基材料有意制造一种超窄金属导体——一种良好的本征导体。加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley 20多年来Lab）的Crommie，Fischer及其同事将在9月25日的《科学》杂志上发表他们的发现 。

调整拓扑

根据摩尔定律，基于硅的集成电路已经为计算机赋能了数十年，其速度和性能都在不断提高，但是它们已经达到了速度极限——即它们可以在零和一之间切换的速度。降低功耗也变得越来越困难。计算机已经消耗了世界能源生产的很大一部分。Fischer说，碳基计算机的切换速度可能比硅计算机快许多倍，并且仅消耗很小一部分功率。石墨烯是纯碳，是这些下一代碳基计算机的主要竞争者。窄带的石墨烯主要是半导体，然而，挑战在于使它们同时充当绝缘体和金属（极端相反，分别完全不导电和完全导电）的绝缘体和金属，以便完全由碳构成晶体管和处理器。几年前，Fischer和Crommmie与加州大学伯克利分校的物理学教授，理论材料科学家史蒂Steven Louie合作，发现了连接小长度纳米带的新方法，从而可靠地创建了整个导电性能域。两年前，该团队证明，通过正确连接纳米带的短段，可以将每个段中的电子排列成一个新的拓扑状态（一种特殊的量子波函数），从而产生可调谐的半导体特性。在这项新工作中，他们使用类似的技术将纳米带的短段缝合在一起，以创建一条数十纳米长，仅几纳米宽的导电金属线。纳米带是化学产生的，并使用扫描隧道显微镜在非常平坦的表面上成像。简单的加热就可以使分子发生化学反应，并以正确的方式结合在一起。菲舍尔将菊花链式积木的装配与一组乐高玩具进行了比较，但乐高玩具的设计适合原子级。“它们都是经过精确设计的，因此它们只能以一种方式装配在“事实上一起。就像您拿着一袋乐高玩具，然后摇晃它，然后出来一辆完全组装好的汽车，”他说。“这就是用化学方法控制自组装的魔力。”组装完成后，新的纳米带的电子状态就是一种金属，正如Louie预测的那样，每个部分都贡献一个导电电子。最终的突破可以归因于纳米带结构的微小变化。“使用化学，我们产生了微小的变化，即每100个原子中只有一个化学键发生了变化，但是这将纳米带的金属性提高了20倍，从实用的角度来看，这很重要，使它成为一种很好的金属，”克罗米说。两位研究人员正在与加州大学伯克利分校的电气工程师合作，将他们的半导体，绝缘和金属石墨烯纳米带的工具箱组装到工作的晶体管中。菲舍尔说：“我相信这项技术将在未来改变我们构建集成电路的方式”，“这应该使我们比目前可以预期的最佳性能大幅度提高。我们现在有了一条以更低的功耗获得更快的开关速度的途径。这就是未来推动碳基电子半导体产业发展的原因。”