美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校科研人員采用新工藝，將碳納米管精確排列到2.54×2.54厘米的基板上，只花了5分鐘。該技術(shù)突破使得碳納米三極管有望取代硅三極管。

　　研究背景

　　幾十年來，科學(xué)家試圖用碳納米管(carbonnanotube，簡稱CNT)制造性能和功耗都優(yōu)于硅元件的電子元件，以獲得更長的電池壽命、更快的無線通信速率和更高的計算速度。由于晶體管是最基礎(chǔ)電子元件，因此也是CNT電子技術(shù)的主攻方向。

　　然而，由于碳納米管的管壁厚度只有一個原子，因此它的三極管的研發(fā)之路面臨諸多挑戰(zhàn)。長期以來，CNT晶體管的性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的硅和砷化鎵材料三極管。

　　研究成果

　　近日，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的材料科學(xué)家們首次制成了性能超過硅三極管的CNT三極管。

　　該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人是威斯康星大學(xué)麥迪遜分校材料科學(xué)和工程教授米切爾˙阿諾德(MichaelArnold)和帕達(dá)馬˙格帕蘭(PadmaGopalan)。他們研制的CNT陣列三極管的導(dǎo)電率高出普通CNT三極管七倍，飽和工作電流密度更是超過了相同條件下的硅三極管和砷化鎵三極管。研究成果的相關(guān)論文發(fā)表在了《ScienceAdvances》上。

　　研究意義

　　阿諾德稱，該突破是納米學(xué)界20年來夢寐以求的成果，為CPU、高速通信和其他電子器件的碳納米化奠定了基礎(chǔ)。

　　CNT三極管除了可以進(jìn)一步推動計算機(jī)硬件的發(fā)展外，由于其面積小，支持通過的電流大，特別適合應(yīng)用于高速無線通信芯片的領(lǐng)域。

　　作為多種有望替代硅材料的電子材料之一，CNT三極管很早即在實(shí)驗(yàn)室中被發(fā)明。從理論上來說，碳納米三極管能夠以硅三極管1/5的功耗達(dá)到同樣的速度，或者在同樣的功耗下達(dá)到硅三極管5倍的速度。

　　米切爾˙阿諾德和他的研究生杰拉德˙布拉迪(Gerald　Brady)，后者是《Science　Advances》論文的第一作者。CNT三極管性能首次超過硅三級管是納米技術(shù)領(lǐng)域的重大突破。

　　研究難點(diǎn)

　　但是科學(xué)家始終找不到合適的方法來提純碳納米管*，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的科研團(tuán)隊利用高分子聚合物分散劑把半導(dǎo)體碳納米管中的金屬性雜質(zhì)降低到不足0.01%的技術(shù)。

　　*碳納米管在制備的過程中會同時生成半導(dǎo)體碳納米管和金屬碳納米管，兩者提純后都是性能優(yōu)良的材料，但是若混合在一起，金屬碳納米管會造成短路，因而破壞半導(dǎo)體碳納米管的電性質(zhì)。

　　除了提純的問題，準(zhǔn)確地把碳納米管排列成設(shè)計好的形狀也非常困難。2014年，同一研究組發(fā)明了一種稱為“懸浮蒸發(fā)自組裝”(floating　evaporative　self-assembly)的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了碳納米管的快速精細(xì)排列。

　　解決了上兩個問題，還有第三個問題。CNT三極管還必須和金屬引腳可靠地焊接在一起而不短路。研究團(tuán)隊在提純半導(dǎo)體碳納米管是使用的聚合物分散劑，在碳納米管和金屬電極之間形成了絕緣層。因此，在制造的最后，科學(xué)家們需要把碳納米器件放入真空中烘烤以去除絕緣層，確保良好接觸，而不殘留雜質(zhì)。

　　至此，研究團(tuán)隊克服了多個技術(shù)難關(guān)，成功制成了性能超過硅和砷化鎵三極管的碳納米三極管。

　　未來方向

　　研究團(tuán)隊的下一步研究方向是改進(jìn)CNT器件，使之更加小型化。使用CNT器件制造高效的手機(jī)微波信號放大器的工作也在進(jìn)行，以求提高手機(jī)信號的質(zhì)量。此外，科學(xué)家還在試圖制造比2.54×2.54厘米更大的CNT集成電路。

　　阿諾德表示，人們已經(jīng)為CNT電子器件設(shè)想了很多用途，但卻遲遲造不出器件本身。“實(shí)現(xiàn)納米科技界數(shù)十年來的夢想真是一件很酷的事情。”

　　研究人員已經(jīng)委托威斯康星校友研究基金來處理專利事宜。

圖片來源：找項(xiàng)目網(wǎng)