完全由碳製成的金屬線：為碳基計算機奠定基礎

2020-10-01 環球創新智慧

導讀

據美國加州大學伯克利分校官網近日報導，該校化學家和物理學家團隊創造出完全由碳製成的金屬線，為進一步開展研究以打造碳基電晶體奠定了基礎。

背景

如今，智慧型手機、筆記本電腦等電子產品在我們身邊隨處可見。然而，我們一直追求著更快的運行速度、更低的耗電量。因此，作為電子器件的基礎，電晶體研究領域的技術突破顯得非常重要。

各種型號的電晶體（圖片來源: 維基百科）

根據摩爾定律，隨著半導體技術不斷進步，電晶體尺寸將不斷縮小，單顆晶片上可容納的電晶體數量不斷增加，如今最先進的晶片上容納的電晶體數量已經過百億。

摩爾定律-集成電路晶片上電晶體數量（1976-2016）（圖片來源：維基百科）

可是，隨著電晶體尺寸逼近5納米，我們就會面臨新的問題，例如「量子隧道效應」。也就是說，電子不再受制於歐姆定律，穿越了原來無法穿越的勢壘，引起了集成電路漏電現象，使電晶體變得不再可靠。此外，隨著單顆晶片上集成的電晶體數量不斷增加，電荷帶來的發熱問題會更加嚴重，從而影響到晶片的處理速度與性能。

為了打破傳統矽基晶片發展面臨的物理制約瓶頸，世界各國的科學家們近年來開始研究替代矽基晶片的新型材料。

由碳納米管場效應電晶體製成的新型微處理器的顯微圖像。（圖片來源：Felice Frankel）


石墨烯光電電晶體（圖片來源：Erin Easterling/普渡大學）

碳基電晶體有望提升計算機的速度，並將其功耗降低至千分之一以下（我們可以想像一部手機保持數月的電量）。但是到目前為止，構建有效的碳電路所需的工具集仍不完整。

創新
近日，美國加州大學伯克利分校的化學家和物理學家團隊終於創建出工具箱中最後一個工具，即完全由碳製成的金屬線，為進一步開展研究以打造碳基電晶體並最終成為碳基計算機奠定了基礎。

加州大學伯克利分校化學系教授費尼克斯·菲舍爾（Felix Fischer）指出，用相同材料製作所有電路元件的能力可使製造變得更簡單。他表示：「碳基材料領域內的相同材料，是現在可以將這項技術整合在一起的原因。這一直是全碳基集成電路架構的全局中缺少的關鍵事物之一。」

加州大學伯克利分校與勞倫斯伯克利國家實驗室（Berkeley Lab）的研究人員於2020年9月25日將他們的發現發表在《科學》（Science）雜誌上。

技術

金屬線（例如用於連接計算機晶片中電晶體的金屬通道）將電子從一個設備運送到另一個設備，並互連電晶體（計算機構建模塊）中的半導體元件。

加州大學伯克利分校的小組一直致力於如何用石墨烯納米帶製造半導體和絕緣體。石墨烯納米帶是一維的、原子厚度的石墨烯窄帶。石墨烯是一種完全由碳原子組成的結構，碳原子排列成相互連接的六角形圖案，類似於六角形網眼鐵絲網。

石墨烯結構示意圖（圖片來源：Tatiana Shepeleva/Shutterstock）


石墨烯納米帶示意圖（圖片來源：Yves Rubin）


儘管其他碳基材料（如擴展的二維石墨烯和碳納米管薄片）可以是金屬的，但也存在問題。例如，將二維石墨烯薄片重塑為納米級條帶，可自動地將其變成半導體，甚至絕緣體。碳納米管是極好的導體，但卻不能以與納米帶相同的精度和可重複性大量製備。

克羅米表示：「納米帶使我們能用自下向上的方法以化學方式訪問各種結構，而納米管目前無法做到這一點。這使我們基本上將電子縫合在一起，以創建出金屬納米帶，而以前沒有做過。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。」

金屬石墨烯納米帶（具有寬的，部分填充的金屬電子帶特徵）具有可與二維石墨烯本身相媲美的電導率。

菲舍爾補充道：「我們認為，金屬線確實是一項突破。這是我們首次有意用碳基材料製造一種超窄的金屬導體（一種良好的本徵導體），而無需外摻雜。」

根據摩爾定律，數十年來，基於矽的集成電路一直推動著計算機的發展，其速度和性能都在不斷提高，但已達到了速度極限，也就是說在0和1之間切換的速度達到了極限。降低功耗也變得越來越困難。計算機已經消耗了世界能源產量的很大一部分。菲舍爾說，碳基計算機的切換速度有望比矽計算機快許多倍，並且僅消耗很小一部分功率。

石墨烯是純碳的，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，挑戰在於使它們同時充當絕緣體和金屬（極端相反，分別是完全不導電和完全導電的），以便完全由碳構成電晶體和處理器。

幾年前，菲舍爾和克羅米與加州大學伯克利分校的物理學教授，理論材料科學家史蒂文·路易（Steven Louie）合作，發現了連接小長度納米帶的新方法，從而可靠地創造出全範圍的導電性能。

兩年前，該團隊證明，通過正確連接納米帶的短段，每個段中的電子可以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，以創造出一條數十納米長、僅幾納米寬的導電金屬線。

下圖所示：寬帶金屬石墨烯納米帶（GNR）的掃描隧道顯微鏡圖像。每個突起簇對應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金屬GNR的電導率增加十倍以上。GNR主幹的寬度為1.6納米。

（圖片來源：Daniel Rizzo / 加州大學伯克利分校）

納米帶通過化學方式產生，並使用掃描隧道顯微鏡在非常平坦的表面上成像。簡單的加熱就可以使分子發生化學反應，並以正確的方式結合在一起。菲舍爾將菊花鏈式積木的裝配比喻為樂高玩具，然而卻是適合原子尺度的樂高玩具設計。

他說：「它們都是經過精確設計的，因此只能以一種方式裝配在一起。就像你拿著一袋樂高玩具，搖晃它，然後出來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金屬，正如路易預測的那樣，每一段都貢獻一個單獨的導電電子。

最終的突破歸因於納米帶結構的微小變化。

克羅米表示：「我們使用化學產生出微小的變化，即每100個原子中只有一個化學鍵發生了變化，但是這將納米帶的金屬性能提高了20倍，從實用的角度來看，讓它成為一種很好的金屬很重要。」

兩位研究人員正在與加州大學伯克利分校的電氣工程師合作，將他們的半導電、絕緣和金屬石墨烯納米帶的工具箱組裝到工作的電晶體中。

菲舍爾說：「我相信這項技術將在未來改變我們構造集成電路的方式。這應該使我們從目前由矽所預期的最佳性能向前邁進一大步。我們現在有了一條以更低功耗獲得更快開關速度的途徑。未來，這將推動碳基電子半導體產業發展。」

關鍵詞

石墨烯、電晶體、碳、矽、半導體

參考資料

【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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