碳纳米管：让晶体管加速退出历史舞台

游宇翔

如果你关注碳纳米管，那你肯定听过这些描述：“碳纳米管是最好的……”“碳纳米管是革命性的”。1991年，日本科学家饭岛澄男在《自然》杂志上发表一篇论文，碳纳米管这项技术由此出现。前途看起来一片光明，材料学家似乎戴着墨镜都能感受到光明。人们期望通过碳纳米管和硅芯片技术生产更小、更快和更高效的晶体管以改变世界电子工业。

电子工业领域对一种由一个碳原子厚度的碳晶体制成的单壁管很感兴趣，这种晶体管的直径为1纳米，约为人类头发直径的万分之一。

碳和硅均为半导体。然而，由于其体积都很小，由碳纳米管制成的半导体管，在芯片上设置导体管的数量为数十亿个，远远高于用硅片制成的晶体管。

碳纳米芯片不仅更小，处理速度也更快、更高效，而且其发热量比硅片更低。换句话说，碳纳米芯片具有极高的处理速度和更长的电池寿命，发热量也不会很高，也无需风扇散热。所以，当饭岛发表论文时，也就不难理解为什么业界那么兴奋。

实际上，有三大难题阻碍着碳纳米电子技术形成规模化工业。

1.混合问题。纳米管造出来时，有两种类型的碳纳米管将会混杂在一起。一种类型是半导体，它是制造集成电路所必须的。另一种类型是金属，导电性与电线相当，但它能显著降低甚至破坏集成电路的性能。碳纳米管制成可靠的集成电路要求纳米管是百分之百的半导体，而目前已有方法分离金属碳纳米和半导体。

2.电阻问题。通过纳米管和集成电路的金属组件之间的连接，使其导电是个问题，因为电阻会随着连接物尺寸的减小而增大。人们需要有效地利用碳纳米管，包括10纳米以及10纳米以下的连接物。但从结果来看，电阻过高导致无法实现。增加芯片的尺寸就意味着减少芯片上的纳米管，如此一来，碳纳米管相对于硅片的优势也会消失。

3.队列问题。当今世界上最先进的电脑芯片是一颗14纳米制成的芯片，上面有超过70亿个晶体管。从硅片到碳纳米管的转变使在同一空间可放置更多的晶体管。要在一个极小的表面上放置数十亿个晶体管，这要求精确地对齐校准和纳米管的间距。现在的问题就是要找到可靠的方法以实现这一精密布局。

混合问题

去年4月，美国伊利诺伊大学一团队开发出一种廉价的方法，以此消除金属和半导体碳纳米管混合物中的金属碳纳米管。他们找到一张位于金属条上的碳纳米管，并在纳米管上涂了一层有机金属，然后在这个金属条上传导一阵低压电流。此时导电的金属纳米管发热了，而半导体纳米管的温度保持不变因为它不导电。高热会熔化涂在金属纳米管上的有机材料，它会因此变干、腐蚀，所以人们选择这种方法除去金属碳纳米管，留下半导体碳纳米管。

美国麦克马斯特大学一小组提出解决混合问题的另一方案。有许多方法隔离金属碳纳米管，包括通过安装半导体碳纳米管在负电子聚合物内把半导体碳纳米管消除掉。研究人员修改了电子聚合物，使其处于少电子状态。这一简单的改变扭转了其净化过程。在聚合物上的金属碳纳米管被清除掉，只留下半导体碳纳米管。

电阻问题

去年，美国IBM公司一主导团队报道了解决这个电阻问题，即用典型的金属接触器一般连接在碳纳米管的顶部或四周，IBM团队把接触器安置在碳纳米管的两端。他们在纳米管上加入金属部件，并把它加入到钼硬质合金集成电路上。

英特尔公司也在现有顶级芯片制程中使用了14纳米。英特尔打算在2017年推出10纳米制程的芯片。IBM的团队创建了碳纳米晶体管。试验显示，接触长度从300纳米减少到10纳米，其电阻并没有增加。

排列问题

2014年3月，美国威斯康星大学一团队开发出一项技术，称之为“剂量控制，浮动蒸发自组装”，这给队列问题提供了一解决方案。其工作原理是，在一个容器里装点水，然后将一个薄的矩形底板置于容器底部。试想象一6英寸的尺子在一平底锅外面竖直起来的样子。一滴包含半导体纳米管的溶液滴进底板附近的水里。结果液滴在水面上扩散开来，碳纳米管穿过底板表层，而底板的表面又与水接触。

为控制沉积在底板上的碳纳米管的厚度和密度，应缓慢地把底板从水里拉上来。随着底板慢慢拉出，水里的碳纳米管已所剩无几，最后就都流失掉。若这个底板达到要求的厚度，又往里滴一滴碳纳米管溶液，这只是重复了之前的动作。但该过程在碳纳米管间产生一系列精确的碳纳米管队列，之后可用在集成电路上。不久的将来，威斯康星团队将开发出排列整齐的纳米管。

融会贯通

2013年9月，美国斯坦福大学一研究小组在《自然》杂志上发文，描述了第一台装载碳纳米管的电脑。这台电脑的处理器有178个晶体管，均用碳纳米管制成，其性能相当于英特尔1971年出售的第一批处理器。以今天的标准来看，这个系统确实落后，但不可否认的是，碳纳米管可代替硅片制造电脑。

三年后，今年9月2日，威斯康星大学研究小组在《科学》杂志上发文称，研究人员利用阵列问题、混合问题和电阻问题解决方案制造了碳纳米晶体管。这种碳纳米管的性能比现今最先进的硅晶体管更加出色。该文出版前，碳纳米管相对于硅的优越性只是在理论模型上表现过。该团队让碳纳米管制造的半导体管发挥出最先进的性能，从而使该领域从理论走向现实，实现了飞跃。

碳纳米管器件的性能确实是巨大的进步，但也仅仅是一步而已。在不久的将来，我们不会再使用设置碳纳米芯片的电子设备，这里的关键词是“不远的将来”。2016年8月31日，日本富士通半导体公司宣布，他们将于2018年底在产品中使用Nantero公司的碳纳米管随机存取存储器。

人们普遍认为，硅片的处理能力最多也就只能持续到2019年。为此，IBM正在努力制造可行的碳纳米商用芯片，并计划在2020年投入市场。会成功吗？没人敢保证。但最近的进步正在克服碳纳米管集成电路中的各种问题，可能还会遇到更多问题，但碳纳米管取代晶体管已成为必然。

（据美国财富杂志最新资料http：//www.forbes.com/sites/kevinmurnane/2016/09/08/carbon-nanotubes-are-getting-closer-to-making-our-electronic-devices-obsolete/#7600316043bb）