碳纳米管可以取代晶体管中的硅

工程师们已经找到了一种方法,通过将二维碳纳米管排列在水层和溶剂“墨水”之间,来制造有序的二维碳纳米管薄片。

由贾森·戴利 2021年9月16日
提供:威斯康星大学麦迪逊分校阿诺德实验室

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沉积管的技术,但是威斯康辛大学麦迪逊分校的工程师发现了一种将纳米管排列成二维液晶的新方法。一种领先的候选材料是碳纳米管,它是二维神奇材料石墨烯的微小卷片。当纳米管用作晶体管时,它的能源效率是硅的五倍,速度是硅的五倍。问题是使用直径只有纳米的微小管是很困难的。要想成为有用的晶体管,它们需要表现出一致的电特性,在相同的方向上对齐,并且紧密而不是太紧密地排列在一起。

这篇论文的第一作者凯瑟琳·金金斯(Katherine Jinkins)说:“在这项新技术中,我们能够在工业规模中排列碳纳米管。”

Jinkins,建议迈克尔·阿诺德的教授材料科学与工程她于2020年7月毕业,获得博士学位。“只需40秒,我们就可以在整个4英寸的晶片上涂上高度对齐的碳纳米管的均匀阵列。这填补了碳纳米管领域存在了近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:“我们不明白原因,所以这成为凯蒂四年研究的重点,以查明真相。”“一旦我们了解了发生了什么,就可以把它设计成一个可能对工业有用的过程。”

威斯康辛大学麦迪逊分校的工程师们已经找到了一种方法,将二维碳纳米管排列在水层和溶剂“墨水”之间,从而制造出有序的薄片。提供:威斯康星大学麦迪逊分校阿诺德实验室

威斯康辛大学麦迪逊分校的工程师们已经找到了一种方法,将二维碳纳米管排列在水层和溶剂“墨水”之间,从而制造出有序的薄片。提供:威斯康星大学麦迪逊分校阿诺德实验室

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,这样做的结果是值得的。阿诺德说:“如果我们能够解决所有这些挑战,那么我们就能够用纳米管制造出比硅更好的计算机芯片。”“关于纳米管的另一件很酷的事情是,如果你把它们悬浮在溶液中,就像我们正在做的那样,然后你就可以把它们沉积成多层,就像3D集成电路一样。这将使我们大大增加晶体管的数量。如果我们能把这些都弄清楚,回报将是巨大的。”

- Chris Vavra编辑,网页内容经理,控制工程, CFE Media and Technology,cvavra@cfemedia.com


杰森·戴利
作者简介:Jason Daley,威斯康星大学麦迪逊分校