基於碳而不是矽的電晶體可以潛在地將計算機的速度提高1000倍以上，並可以將其功耗降低一千倍以上，例如手機充電一次可達數月之久，但是構建有效的碳電路所需的工具手段一直未完整。
加州大學伯克利分校的化學家和物理學家團隊，終於在這個工具箱中創建了最後一個必要手段，即完全由碳製成的導電線，為進一步開展研究以建立碳基電晶體奠定了基礎，並且最終是計算機。
加州大學伯克利分校化學系教授、費利克斯·費舍爾（Felix Fischer）表示：「將這種技術整合到一起，是在碳纖維材料領域內保持相同的材料，」用同一材料製造所有電路元件的能力可以製造更輕鬆。 「這一直是全碳基集成電路架構大局中缺少的關鍵因素之一。」
導線，如用於連接計算機晶片中電晶體的金屬導，可在設備之間傳遞電流，並使電晶體內的半導體元件，即計算機的組成部分相互連接。
研究小組已經致力於如何用石墨烯納米帶製造半導體和絕緣體，石墨烯納米帶（graphene nanoribbons，縮寫GNR）是一維原子厚的石墨烯帶，這種結構完全由碳原子組成，排列成相互連接的六角形。
石墨烯納米帶的結構具有高電導率、高熱導率、低噪聲，這些優良品質促使石墨烯納米帶成為集成電路互連材料的另一種選擇，有可能替代銅金屬。
新的碳基是石墨烯納米帶，但設計時要注意全碳電晶體中半導體納米帶之間的導電電子。研究人員說，到店納米帶是通過將它們由較小的相同構造塊組裝而成的：自下而上的方法。每個結構單元均貢獻一個電子，該電子可沿納米帶自由流動。
儘管其他碳基材料，例如石墨烯和碳納米管的二維擴展板可以作導線，但它們存在問題。例如，將2D石墨烯薄片重塑為納米級條，可自發地將它們變成半導體，甚至絕緣體。碳納米管是極好的導體，不能以與納米帶相同的精度和可重複性大量製備。
研究人員說：「納米帶使我們能夠使用自下而上的製造方法，化學地接觸各種各樣的結構，而納米管還無法做到這一點。」 「這使我們能夠將電子基本縫合在一起以創建導電納米帶，這是以前沒有做過的。這是石墨烯納米帶技術領域的重大挑戰之一，也是我們對此感到如此興奮的原因。」
石墨烯納米帶具有寬的、部分填充的金屬電子帶特徵，具有可與2D石墨烯本身的電導率相媲美的特性。「我們認為碳導線確實是一項突破；這是我們第一次有意用碳基材料製造一種超窄導體、一種良好的本徵導體，而無需外部摻雜。」
如圖所示寬帶石墨烯納米帶的掃描隧道顯微鏡圖像。每個突起簇對應於一個單獨佔據的電子軌道。在每個簇附近形成五邊形環會導致石墨烯納米帶的電導率增加十倍以上。石墨烯納米帶主幹的寬度為1.6納米。
調整拓撲
根據摩爾定律，基於矽的集成電路已經為計算機服務了數十年，其速度和性能都在不斷提高，但是它們已經達到了速度極限，降低功耗也變得越來越困難。計算機已經消耗了世界能源生產的很大一部分。碳基計算機的切換速度可比矽計算機快許多倍，並且僅消耗很小一部分功率。
石墨烯是純碳，是這些下一代碳基計算機的主要競爭者。窄帶的石墨烯主要是半導體，然而，挑戰在於使它們也能用作絕緣體和導體，以完全由碳構成電晶體和處理器。
幾年前，研究團隊發現了連接小長度納米帶的新方法，從而可靠地創建了整個導電性能域。兩年前，該團隊證明，通過正確連接納米帶的短段，可以將每個段中的電子排列成一個新的拓撲狀態（一種特殊的量子波函數），從而產生可調諧的半導體特性。
在這項新工作中，他們使用類似的技術將納米帶的短段縫合在一起，以創建一條數十納米長、僅幾納米寬的導電金屬線。
納米帶是化學產生的，並使用掃描隧道顯微鏡在非常平坦的表面上成像。簡單的加熱被用來誘導分子發生化學反應，並以正確的方式結合在一起。研究人員將菊花鏈式積木的裝配與樂高玩具作比喻，但這是設計適合原子級的樂高玩具。
「它們都是經過精確設計的，因此它們只能以一種方式裝配在一起。就好像你拿著一袋樂高玩具，然後搖晃它，然後就產生了一輛完全組裝好的汽車。」 「這就是用化學方法控制自組裝的魔力。」組裝完成後，新的納米帶的電子狀態就是一種導體，每個部分都貢獻一個導電電子。
最終的突破可以歸因於納米帶結構的微小變化。「通過化學，我們進行了微小的改變，即每100個原子中只有一個化學鍵發生變化，但是這使納米帶的金屬性提高了20倍，從實用的角度來看，這一點很重要，使它成為了一種很好的導體。」
該研究論文發表在最近一期的《科學》雜誌上。
參考："Inducing metallicity in graphene nanoribbons via zero-mode superlattices" Science (2020). science.sciencemag.org/cgi/doi … 1126/science.aay3588