为制造晶体管而发展起来的技术

利用碳氢化合物种子，威斯康星大学麦迪逊分校的材料工程师开发了一种制造石墨烯纳米带的新方法。在未来，这项技术可能会实现工业规模的条带制造，使它们能够被用作计算机芯片和其他“后硅”设备上的下一代晶体管。

由迈克尔·阿诺德他是威斯康星大学麦迪逊分校材料科学与工程教授，也是博士研究生奥斯汀·韦(Austin Way)，这项研究发表在《美国科学》杂志上杂志2022年6月号自然通讯．

在过去的半个世纪里，世界一直依靠硅晶体管来提供不断增长的计算能力。但不久的将来，制造商将达到物理极限，不再可能在芯片上塞更多的硅晶体管。这就是为什么研究人员正在寻找下一个伟大的半导体材料，可以继续改进和发展微处理器和其他纳米电子设备。石墨烯纳米带是一种单原子厚、仅3纳米宽的材料，是最有希望的候选材料之一，因为它的导电电流是硅的5到10倍，而功耗仅为硅的1 / 5到1 / 10。

但将石墨烯纳米带晶体管从实验室应用到智能手机是一项挑战。虽然种植大面积二维石墨烯薄片的方法正在成熟，但研究人员仍然必须找到更好的方法来制造超箭头石墨烯纳米带。窄的宽度是至关重要的，因为正是纳米带的窄性将它们转化为半导体，而二维石墨烯片更像金属。

“问题是如何将这种2D材料缩小到对半导体有用的范围?”他现在是亚利桑那州斯科茨代尔ASM的工程师。“然后如何将其扩大到可以实际控制的程度，使其在工业上有用?”

在之前的实验中，研究小组将一种由锗组成的特殊基底暴露在甲烷蒸汽中，这导致石墨烯带生长。然而，在这一点上，条带生长是零星的和无组织的，并且条带倾向于以不均匀的宽度生长。这会影响它们的电性能。

Way寻找以更可控的方式生长丝带的方法。最初，他决定尝试光刻技术，这种技术目前用于制造硅晶体管，在锗衬底上蚀刻10纳米的石墨烯点，然后使用气相甲烷沉积来诱导条带生长。虽然该工艺显示出了希望，但10纳米对于功能纳米带来说仍然太宽了(3纳米宽对于允许它作为晶体管工作的带隙来说是理想的)。

“我们不得不想出一个替代方案，”阿诺德说。“我们认为，如果我们可以用一种类似石墨烯的小分子作为种子，那将非常酷。”

他们决定尝试PTCDA，一种多环芳香烃，它是一类分子的一部分，非常平坦，类似于微小的石墨烯碎片。Way首先将锗晶片暴露在PTCDA分子的蒸汽中，它落在表面，基本上散射了PTCDA种子。然后，他在基质上流动甲烷，甲烷与种子发生反应。当石墨烯形成时，它遵循锗的晶体结构，形成细长的条带，所有这些都在大致相同的时间尺度上形成。通过在锗上使用错误切割或阶梯表面的技术，该团队还更好地控制了缎带的方向。

之后，研究人员在阿贡国家实验室用扫描隧道显微镜检查了这些丝带。他们发现它们具有相对光滑的“扶手椅”边缘，这是发挥晶体管功能所必需的。

在未来的工作中，阿诺德说他想改进这一过程，用化学方法“钝化”容易氧化的缎带边缘。他还想通过使用显微镜观察丝带的形成来更好地理解这一过程。

Way说:“要真正达到我所说的这种技术真正可扩展的程度，我们需要首先获得基本的理解。”他相信这些技术也可以用于其他2D材料。“我们想了解和了解种子是如何在表面分布的，以及密度是如何受其影响的。这种程度的控制和理解是合成的下一步。”

虽然在石墨烯纳米带最终应用于商用计算机芯片之前还有许多障碍需要克服，但阿诺德认为这项技术有一条前进的道路。他说:“你可以拿一块有锗的硅片，然后在上面生长石墨烯纳米带。”“至少有希望将我们的技术直接集成到硅片技术中。”

-副主编摩根·格林编辑，控制工程， CFE媒体与技术，mgreen@cfemedia.com

您是否具有本内容中提到的主题的经验和专业知识?你应该考虑为我们的CFE媒体编辑团队做出贡献，并获得你和你的公司应得的认可。点击在这里开始这个过程。