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|完全由碳制成的金属线：为碳基计算机奠定基础


导读
据美国加州大学伯克利分校官网近日报道 ， 该校化学家和物理学家团队创造出完全由碳制成的金属线 ， 为进一步开展研究以打造碳基晶体管奠定了基础 。
背景
如今 ， 智能手机、笔记本电脑等电子产品在我们身边随处可见 。 然而 ， 我们一直追求着更快的运行速度、更低的耗电量 。 因此 ， 作为电子器件的基础 ， 晶体管研究领域的技术突破显得非常重要 。
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各种型号的晶体管（图片来源: 维基百科）
根据摩尔定律 ， 随着半导体技术不断进步 ， 晶体管尺寸将不断缩小 ， 单颗芯片上可容纳的晶体管数量不断增加 ， 如今最先进的芯片上容纳的晶体管数量已经过百亿 。
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摩尔定律-集成电路芯片上晶体管数量（1976-2016）（图片来源：维基百科）
可是 ， 随着晶体管尺寸逼近5纳米 ， 我们就会面临新的问题 ， 例如“量子隧道效应” 。 也就是说 ， 电子不再受制于欧姆定律 ， 穿越了原来无法穿越的势垒 ， 引起了集成电路漏电现象 ， 使晶体管变得不再可靠 。 此外 ， 随着单颗芯片上集成的晶体管数量不断增加 ， 电荷带来的发热问题会更加严重 ， 从而影响到芯片的处理速度与性能 。
为了打破传统硅基芯片发展面临的物理制约瓶颈 ， 世界各国的科学家们近年来开始研究替代硅基芯片的新型材料 。
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由碳纳米管场效应晶体管制成的新型微处理器的显微图像 。 （图片来源：Felice Frankel）

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石墨烯光电晶体管（图片来源：Erin Easterling/普渡大学）
碳基晶体管有望提升计算机的速度 ， 并将其功耗降低至千分之一以下（我们可以想象一部手机保持数月的电量） 。 但是到目前为止 ， 构建有效的碳电路所需的工具集仍不完整 。
创新近日 ， 美国加州大学伯克利分校的化学家和物理学家团队终于创建出工具箱中最后一个工具 ， 即完全由碳制成的金属线 ， 为进一步开展研究以打造碳基晶体管并最终成为碳基计算机奠定了基础 。
加州大学伯克利分校化学系教授费尼克斯·菲舍尔（Felix Fischer）指出 ， 用相同材料制作所有电路元件的能力可使制造变得更简单 。 他表示：“碳基材料领域内的相同材料 ， 是现在可以将这项技术整合在一起的原因 。 这一直是全碳基集成电路架构的全局中缺少的关键事物之一 。 ”
加州大学伯克利分校与劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的研究人员于2020年9月25日将他们的发现发表在《科学》（Science）杂志上 。
技术
金属线（例如用于连接计算机芯片中晶体管的金属通道）将电子从一个设备运送到另一个设备 ， 并互连晶体管（计算机构建模块）中的半导体元件 。
加州大学伯克利分校的小组一直致力于如何用石墨烯纳米带制造半导体和绝缘体 。 石墨烯纳米带是一维的、原子厚度的石墨烯窄带 。 石墨烯是一种完全由碳原子组成的结构 ， 碳原子排列成相互连接的六角形图案 ， 类似于六角形网眼铁丝网 。
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石墨烯结构示意图（图片来源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）

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石墨烯纳米带示意图（图片来源：Yves Rubin）
尽管其他碳基材料（如扩展的二维石墨烯和碳纳米管薄片）可以是金属的 ， 但也存在问题 。 例如 ， 将二维石墨烯薄片重塑为纳米级条带 ， 可自动地将其变成半导体 ， 甚至绝缘体 。 碳纳米管是极好的导体 ， 但却不能以与纳米带相同的精度和可重复性大量制备 。
克罗米表示：“纳米带使我们能用自下向上的方法以化学方式访问各种结构 ， 而纳米管目前无法做到这一点 。 这使我们基本上将电子缝合在一起 ， 以创建出金属纳米带 ， 而以前没有做过 。 这是石墨烯纳米带技术领域的重大挑战之一 ， 也是我们对此感到如此兴奋的原因 。 ”
金属石墨烯纳米带（具有宽的 ， 部分填充的金属电子带特征）具有可与二维石墨烯本身相媲美的电导率 。
菲舍尔补充道：“我们认为 ， 金属线确实是一项突破 。 这是我们首次有意用碳基材料制造一种超窄的金属导体（一种良好的本征导体） ， 而无需外掺杂 。 ”
根据摩尔定律 ， 数十年来 ， 基于硅的集成电路一直推动着计算机的发展 ， 其速度和性能都在不断提高 ， 但已达到了速度极限 ， 也就是说在0和1之间切换的速度达到了极限 。 降低功耗也变得越来越困难 。 计算机已经消耗了世界能源产量的很大一部分 。 菲舍尔说 ， 碳基计算机的切换速度有望比硅计算机快许多倍 ， 并且仅消耗很小一部分功率 。
石墨烯是纯碳的 ， 是这些下一代碳基计算机的主要竞争者 。 窄带的石墨烯主要是半导体 ， 然而 ， 挑战在于使它们同时充当绝缘体和金属（极端相反 ， 分别是完全不导电和完全导电的） ， 以便完全由碳构成晶体管和处理器 。
几年前 ， 菲舍尔和克罗米与加州大学伯克利分校的物理学教授 ， 理论材料科学家史蒂文·路易（Steven Louie）合作 ， 发现了连接小长度纳米带的新方法 ， 从而可靠地创造出全范围的导电性能 。
两年前 ， 该团队证明 ， 通过正确连接纳米带的短段 ， 每个段中的电子可以排列成一个新的拓扑状态（一种特殊的量子波函数） ， 从而产生可调谐的半导体特性 。
在这项新工作中 ， 他们使用类似的技术将纳米带的短段缝合在一起 ， 以创造出一条数十纳米长、仅几纳米宽的导电金属线 。
下图所示：宽带金属石墨烯纳米带（GNR）的扫描隧道显微镜图像 。 每个突起簇对应一个单独占据的电子轨道 。 在每个簇附近形成五边形环会导致金属GNR的电导率增加十倍以上 。 GNR主干的宽度为1.6纳米 。
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（图片来源：Daniel Rizzo / 加州大学伯克利分校）
纳米带通过化学方式产生 ， 并使用扫描隧道显微镜在非常平坦的表面上成像 。 简单的加热就可以使分子发生化学反应 ， 并以正确的方式结合在一起 。 菲舍尔将菊花链式积木的装配比喻为乐高玩具 ， 然而却是适合原子尺度的乐高玩具设计 。
他说：“它们都是经过精确设计的 ， 因此只能以一种方式装配在一起 。 就像你拿着一袋乐高玩具 ， 摇晃它 ， 然后出来一辆完全组装好的汽车 。 这就是用化学方法控制自组装的魔力 。 ”
组装完成后 ， 新的纳米带的电子状态就是一种金属 ， 正如路易预测的那样 ， 每一段都贡献一个单独的导电电子 。
最终的突破归因于纳米带结构的微小变化 。
克罗米表示：“我们使用化学产生出微小的变化 ， 即每100个原子中只有一个化学键发生了变化 ， 但是这将纳米带的金属性能提高了20倍 ， 从实用的角度来看 ， 让它成为一种很好的金属很重要 。 ”
两位研究人员正在与加州大学伯克利分校的电气工程师合作 ， 将他们的半导电、绝缘和金属石墨烯纳米带的工具箱组装到工作的晶体管中 。
菲舍尔说：“我相信这项技术将在未来改变我们构造集成电路的方式 。 这应该使我们从目前由硅所预期的最佳性能向前迈进一大步 。 我们现在有了一条以更低功耗获得更快开关速度的途径 。 未来 ， 这将推动碳基电子半导体产业发展 。 ”
关键词
石墨烯、晶体管、碳、硅、半导体
参考资料
【1】Daniel J. Rizzo, Gregory Veber, Jingwei Jiang, Ryan Mccurdy, Ting Cao, Christopher Bronner, Ting Chen, Steven G. Louie, Felix R. Fischer, Michael F. Crommie.Inducing metallicity in graphene nanoribbons via zero-mode superlattices.Science, 2020 DOI: 10.1126/science.aay3588
【2】https://news.berkeley.edu/2020/09/24/metal-wires-of-carbon-complete-toolbox-for-carbon-based-computers/


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