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昊明有态度|完全由碳制成的金属线：为碳基计算机奠定基础( 二 )


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（StevenLouie）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 。
昊明有态度|完全由碳制成的金属线：为碳基计算机奠定基础
文章图片
（图片来源：DanielRizzo/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】DanielJ.Rizzo,GregoryVeber,JingweiJiang,RyanMccurdy,TingCao,ChristopherBronner,TingChen,StevenG.Louie,FelixR.Fischer,MichaelF.Crommie.Inducingmetallicityingraphenenanoribbonsviazero-modesuperlattices.Science,2020DOI:10.1126/science.aay3588


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