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美国威斯康辛大学麦迪逊分校首次实现了碳纳米管晶体管性能超越硅基晶体管

2016-09-26 230浏览 标签: 晶体管美国UWM


动态背景

     

     多年以来,人们都在追寻着充分发挥碳纳米管这种制备相对成熟的纳米碳材料的优良性能的有效方法。这种神奇材料的一个重要应用方向就是制备高性能电子设备,使之能够运算更快,耗能更少,在智能手机和笔记本电脑上实现更长的电池寿命,更快的无线通信和更快的处理速度。但是摆在研究人员面前的挑战也是巨大的:目前用碳纳米管制作的晶体管一般不及电脑芯片和一些其他电子产品中正在使用的硅和镓的砷化物制作的晶体管性能好。但是这一情况已经扭转,据美国威斯康辛大学麦迪逊分校近日讯,该校材料学家已经制造出性能高于最高端硅晶体管的碳纳米管晶体管。


研究内容


     该项研究由威斯康辛大学麦迪逊分校Michael  Arnold教授和Padma Gopalan教授领导,他们制作的碳纳米管晶体管性能是硅晶体管的1.9倍。碳纳米管是最好的导电体之一,一直以来都被视作极有可能用于下一代晶体管的重要材料。根据单个纳米管的测试数据推断,理论上碳纳米管晶体管可以比硅晶体管运算速度快5倍,或者使用能耗低5倍。纳米管的超低直径使之可以快速改变穿越其中电信号,这可以给无线通信设备带来大幅度的带宽增大。


     但这里存在的问题是,分离出纯净的碳纳米管比较困难,但这又是关键步骤,因为金属性纳米管杂质会表现出类似铜线的性质而破坏半导体特性,就像电子设备出现短路一样。威斯康辛大学麦迪逊分校的研究团队使用聚合物以选择性拣选出半导体性纳米管,获得了高纯度半导体性纳米管溶液。该研究团队已经能够几乎完全除去金属性纳米管,使得纳米管产品中金属性纳米管的含量低于0.01%。


     布局与排列碳纳米管同样是件很难控制的事情。想要得到高质量的晶体管,纳米管必须要以正确的顺序排列,具有正确的间隙并且能组装到晶圆上。2014年时,该校的研究人员使用一种叫做“浮动蒸发自组装法”的方法实现了可控性组装,克服了这一困难。


     碳纳米管必须与晶体管的金属电极形成极佳的电接触。而该校研究人员在分离半导体性碳纳米管的时候使用了聚合物,这种聚合物会在纳米管与电极之间起到绝缘作用,于是研究人员在真空烘箱中“烘烤”碳纳米管阵列以去除绝缘层,最终实现了良好的电子接触。同时研究人员还开发了一种处理方法可以在碳纳米管经过溶液处理后对其进一步去除残留。


    克服了这些困难之后,研究人员最终制造出了超越硅基晶体管的碳纳米管晶体管。他们还在继续努力调整设备以便使纳米管晶体管与随着代数增加尺寸越来越小的硅基晶体管相匹配,同时开发高性能无线电频率放大器以寻求在手机信号增强上的应用。尽管研究人员现在已经做到了将碳纳米管晶体管处理工艺放大到了1英寸X1英寸的晶圆级别,他们还会继续放大该过程以达到商业化级别。

动态意义


     此项研究史无前例的把碳纳米管晶体管的性能提高到了硅基晶体管之上,实证了碳纳米管在高新电子产品上的应用潜力,为碳纳米材料最终取代硅材料用于微电子领域铺平了道路。这种新型碳纳米管晶体管尤其有望用于计算机工业和无线通信技术等领域,或可引发信息技术革命。这种纳米晶体管的制作成功,体现的是研究人员在碳纳米管生产,纯化,加工的等诸多领域的综合实力,这巩固了美国在纳米管微电子技术领域的技术优势,同时也让别国看到了该领域的前景。


图1 美国威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员使用溶液处理技术在1英寸x1英寸基质上沉积碳纳米管阵列

    动态链接:For first time, carbon nanotube transistors outperform silicon




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