集成電路 (IC) 是計(jì)算機(jī)、平板電腦、智能手機(jī)和其他改善我們?nèi)粘Ｉ畹募夹g(shù)的基礎(chǔ)。大約 60 年來(lái)，這些電路一直由硅制成，并通過(guò)縮小構(gòu)成這些電路的晶體管來(lái)實(shí)現(xiàn)持續(xù)的性能改進(jìn)。

然而，晶體管正變得像單個(gè)分子一樣小，而硅在這種尺寸下已達(dá)到其自然性能極限，迫使科學(xué)家探索替代材料。

碳納米管具有高穩(wěn)定性和卓越的電子特性，已成為替代晶體管中硅的主要候選材料。在11 月 17 日發(fā)表于《科學(xué)》雜志的一篇評(píng)論文章中，西北大學(xué)的Mark Hersam及其合作者概述了碳納米管在高性能 IC 以及適用于物聯(lián)網(wǎng)的低成本/低性能電子產(chǎn)品中的機(jī)遇和剩余挑戰(zhàn)，以及為什么現(xiàn)在是時(shí)候加倍投入這項(xiàng)有前途的技術(shù)了。

Hersam 是 Mc Cormick 工程學(xué)院的 Walter P. Murphy 材料科學(xué)與工程教授，以及（禮貌地）電氣和計(jì)算機(jī)工程與化學(xué)教授，以及西北大學(xué)材料研究科學(xué)與工程中心主任。他的合作者是杜克大學(xué)的 Aaron D. Franklin 和斯坦福大學(xué)的 Philip Wong。

IBM 于 1998 年推出的碳納米管 (CNT) 與現(xiàn)有的硅相比是一種相對(duì)較新的電子材料。經(jīng)過(guò)近四分之一個(gè)世紀(jì)的基礎(chǔ)研究和開(kāi)發(fā)，CNT 現(xiàn)在即將突破并廣泛應(yīng)用，并且已經(jīng)應(yīng)用于由 10,000 個(gè)器件組成的大規(guī)模電路中。正如 Hersam 和他的隊(duì)友所寫(xiě)，CNT 有幾個(gè)突出的優(yōu)勢(shì)，包括化學(xué)穩(wěn)定性、可擴(kuò)展到分子尺度的尺寸，以及極好的電和熱性能。

然而，研究人員寫(xiě)道，為了最大限度地發(fā)揮 CNT 的潛力，材料科學(xué)家仍需克服一些障礙。一個(gè)挑戰(zhàn)是純化碳納米管，它可以是金屬或半導(dǎo)體。此外，CNT 的手性矢量對(duì)電子能帶結(jié)構(gòu)施加了明確定義的量子力學(xué)邊界條件，這意味著對(duì)于隨機(jī)管閉合，大約 33% 的 CNT 手性是金屬性的，大約 67% 是半導(dǎo)體性的。由于晶體管需要半導(dǎo)體通道，最好具有定義明確且均勻的帶隙，因此通過(guò)原子級(jí)精確的手性矢量控制可擴(kuò)展地合成和隔離它們的能力對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能碳納米管晶體管 IC 至關(guān)重要。

組作者說(shuō)，有助于采用 CNT 的一個(gè)因素是材料技術(shù)的預(yù)期進(jìn)步。其一，必須提高 CNT 的純度，克服缺乏檢測(cè)超低濃度金屬 CNT 的高通量分析方法的問(wèn)題。在尋找一種可擴(kuò)展的制造方法來(lái)生產(chǎn)足夠的超高純度半導(dǎo)體 CNT 以滿足不僅以高性能 IC 為代表而且以大批量印刷電子產(chǎn)品為代表的潛在大市場(chǎng)方面也必須取得進(jìn)展。

“最終，生長(zhǎng)條件包含如此巨大的參數(shù)空間，因此需要有效搜索和識(shí)別最佳生長(zhǎng)條件的方法，”作者寫(xiě)道?！靶屡d的人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí) (ML) 優(yōu)化方法與高通量實(shí)驗(yàn)篩選相結(jié)合，為下一代合成工作帶來(lái)了希望。同樣，CNT 晶體管中許多其他材料（包括摻雜劑、觸點(diǎn)、柵電極和電介質(zhì)）的發(fā)現(xiàn)、優(yōu)化和集成也可能通過(guò) ML 結(jié)合高通量實(shí)驗(yàn)篩選來(lái)加速。”

赫薩姆和他的合作者寫(xiě)道，這些努力是值得的。

“在具有 3D 集成潛力的高性能數(shù)字邏輯的機(jī)會(huì)與印刷甚至可回收薄膜電子產(chǎn)品的可能性之間，CNT 晶體管需要學(xué)術(shù)界、政府和行業(yè)貢獻(xiàn)者重新甚至加倍努力，”作者們寫(xiě)了。“這些分子晶體管技術(shù)觸手可及，但前提是科學(xué)和工程界能夠克服剩余的挑戰(zhàn)?！?/p>

審核編輯 ：李倩