碳納米管：讓晶體管加速退出歷史舞臺

游宇翔

如果你關注碳納米管，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，日本科學家飯島澄男在《自然》雜志上發表一篇論文，碳納米管這項技術由此出現。前途看起來一片光明，材料學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生產更小、更快和更高效的晶體管以改變世界電子工業。

電子工業領域對一種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，約為人類頭發直徑的萬分之一。

碳和硅均為半導體。然而，由于其體積都很小，由碳納米管制成的半導體管，在芯片上設置導體管的數量為數十億個，遠遠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，發熱量也不會很高，也無需風扇散熱。所以，當飯島發表論文時，也就不難理解為什么業界那么興奮。

實際上，有三大難題阻礙著碳納米電子技術形成規模化工業。

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。一種類型是半導體，它是制造集成電路所必須的。另一種類型是金屬，導電性與電線相當，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體，而目前已有方法分離金屬碳納米和半導體。

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。但從結果來看，電阻過高導致無法實現。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勢也會消失。

3.隊列問題。當今世界上最先進的電腦芯片是一顆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十億個晶體管，這要求精確地對齊校準和納米管的間距。現在的問題就是要找到可靠的方法以實現這一精密布局。

混合問題

去年4月，美國伊利諾伊大學一團隊開發出一種廉價的方法，以此消除金屬和半導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一陣低壓電流。此時導電的金屬納米管發熱了，而半導體納米管的溫度保持不變因為它不導電。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，留下半導體碳納米管。

美國麥克馬斯特大學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，包括通過安裝半導體碳納米管在負電子聚合物內把半導體碳納米管消除掉。研究人員修改了電子聚合物，使其處于少電子狀態。這一簡單的改變扭轉了其凈化過程。在聚合物上的金屬碳納米管被清除掉，只留下半導體碳納米管。

電阻問題

去年，美國IBM公司一主導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合金集成電路上。

英特爾公司也在現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，美國威斯康星大學一團隊開發出一項技術，稱之為“劑量控制，浮動蒸發自組裝”，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。一滴包含半導體納米管的溶液滴進底板附近的水里。結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。若這個底板達到要求的厚度，又往里滴一滴碳納米管溶液，這只是重復了之前的動作。但該過程在碳納米管間產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出排列整齊的納米管。

融會貫通

2013年9月，美國斯坦福大學一研究小組在《自然》雜志上發文，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，其性能相當于英特爾1971年出售的第一批處理器。以今天的標準來看，這個系統確實落后，但不可否認的是，碳納米管可代替硅片制造電腦。

三年后，今年9月2日，威斯康星大學研究小組在《科學》雜志上發文稱，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今最先進的硅晶體管更加出色。該文出版前，碳納米管相對于硅的優越性只是在理論模型上表現過。該團隊讓碳納米管制造的半導體管發揮出最先進的性能，從而使該領域從理論走向現實，實現了飛躍。

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

人們普遍認為，硅片的處理能力最多也就只能持續到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）