碳纳米管可以取代晶体管中的硅

在过去的半个世纪里，每隔一到两年，研究人员就会发现缩小硅晶体管的技术，这使可以塞到计算机芯片上的硅晶体管数量大约增加一倍。这使得人类能够在一生中从房间大小的电脑过渡到智能手表。然而，硅晶体管的原子尺寸是如此之小，以至于很快就不可能缩小它们了。这就是为什么研究人员正在研究新的、更高效的、有可能取代硅的材料。

研究人员一直在努力寻找精确放置试管的技术，但是威斯康辛大学麦迪逊分校的工程师他们发现了一种新的方法，通过将纳米管转变成二维液晶来排列纳米管。一个主要的候选材料是碳纳米管，它是2D神奇材料石墨烯的微小卷起的碎片。当用作晶体管时，纳米管的能效是硅的五倍，速度是硅的五倍。问题在于，使用直径仅为纳米的微管是困难的。要成为有用的晶体管，它们需要表现出均匀的电气特性，在同一方向上对齐，并且紧密但不太紧密地封装在一起。

该论文的第一作者凯瑟琳·金金斯说：“在这项新技术中，我们能够在整个行业范围内排列碳纳米管。”。

Jinkins建议迈克尔·阿诺德的教授材料科学与工程在华盛顿大学麦迪逊分校，她于2020年7月获得博士学位。“只需40秒，我们就可以在整个4英寸晶圆上均匀地覆盖一排高度排列的碳纳米管。这填补了碳纳米管界存在近30年的空白。”

这项技术是偶然发现的。在试图理解之前的一些研究的同时，该团队将纳米管悬浮在一层水的溶剂中。但研究人员注意到，纳米管开始在液体之间的界面上自我组织并排列。

阿诺德说：“我们不明白为什么，所以这成了凯蒂四年来研究的重点，以便弄清真相。”。“一旦我们了解了正在发生的事情，就可以将其设计成一个可能对行业有用的流程。”

利用拉曼光谱，该团队能够确认纳米管的密度接近电子所需的密度，并使用扫描电子显微镜，他们还确定了管的排列在±6°内的局部。这几乎是理想的纳米管排序导致了卓越的电性能，并被证实在整个晶圆上一致。

在制造技术中，研究小组使用Arnold小组以前使用过的技术对商业化生产的纳米管进行分类和提纯。这种净化过程在溶剂或纳米管墨水中产生纳米管，然后它们以恒定的速度和厚度在一层水上流动。在墨水和水的界面处，纳米管开始聚集并自组织，形成液晶。然后液晶被转移到通过油墨和水界面移动的基板上。结果是一个覆盖了数万亿排列高度的碳纳米管的晶圆。

这一过程是碳纳米管研究的一大进步。然而，在纳米管计算机处理器最终应用于智能手机和笔记本电脑之前，它确实需要一些调整。行业标准是12英寸。晶圆，所以这个过程，通过威斯康辛校友研究基金会，需要按比例放大，同时保持纳米管排列的均匀性。该团队希望进一步改善排列方式，同时也致力于增加纳米管的密度，同时确保它们不会相互交叉，这是另一个挑战。

然而，结果是值得的。阿诺德说：“如果我们能够解决所有这些挑战，那么我们就能够用比硅好很多的纳米管制造计算机芯片。”。“奈米管的另一个很酷的地方是，如果你像我们现在做的那样将它们悬浮在溶液中，然后你可以将它们沉积在多层中，比如3D集成电路。这将使我们能够显著增加晶体管的数量。如果我们能弄清楚这一切，回报可能是巨大的。”

–由网络内容经理Chris Vavra编辑，控制工程，CFE媒体与技术，cvavra@cfemedia.com.