展望碳纳米管晶体管的未来

集成电路 (IC) 是计算机、平板电脑、智能手机和其他改善我们日常生活的技术的基础。大约 60 年来，这些电路一直由硅制成，并通过缩小构成这些电路的晶体管来实现持续的性能改进。

然而，晶体管正变得像单个分子一样小，而硅在这种尺寸下已达到其自然性能极限，迫使科学家探索替代材料。 

碳纳米管具有高稳定性和卓越的电子特性，已成为替代晶体管中硅的主要候选材料。在11 月 17 日发表于《科学》杂志的一篇评论文章中，西北大学的Mark Hersam及其合作者概述了碳纳米管在高性能 IC 以及适用于物联网的低成本/低性能电子产品中的机遇和剩余挑战，以及为什么现在是时候加倍投入这项有前途的技术了。

Hersam 是 Mc Cormick 工程学院的 Walter P. Murphy 材料科学与工程教授，以及（礼貌地）电气和计算机工程与化学教授，以及西北大学材料研究科学与工程中心主任。他的合作者是杜克大学的 Aaron D. Franklin 和斯坦福大学的 Philip Wong。

IBM 于 1998 年推出的碳纳米管 (CNT) 与现有的硅相比是一种相对较新的电子材料。经过近四分之一个世纪的基础研究和开发，CNT 现在即将突破并广泛应用，并且已经应用于由 10,000 个器件组成的大规模电路中。正如 Hersam 和他的队友所写，CNT 有几个突出的优势，包括化学稳定性、可扩展到分子尺度的尺寸，以及极好的电和热性能。

然而，研究人员写道，为了最大限度地发挥 CNT 的潜力，材料科学家仍需克服一些障碍。一个挑战是纯化碳纳米管，它可以是金属或半导体。此外，CNT 的手性矢量对电子能带结构施加了明确定义的量子力学边界条件，这意味着对于随机管闭合，大约 33% 的 CNT 手性是金属性的，大约 67% 是半导体性的。由于晶体管需要半导体通道，最好具有定义明确且均匀的带隙，因此通过原子级精确的手性矢量控制可扩展地合成和隔离它们的能力对于实现高性能碳纳米管晶体管 IC 至关重要。

组作者说，有助于采用 CNT 的一个因素是材料技术的预期进步。其一，必须提高 CNT 的纯度，克服缺乏检测超低浓度金属 CNT 的高通量分析方法的问题。在寻找一种可扩展的制造方法来生产足够的超高纯度半导体 CNT 以满足不仅以高性能 IC 为代表而且以大批量印刷电子产品为代表的潜在大市场方面也必须取得进展。

“最终，生长条件包含如此巨大的参数空间，因此需要有效搜索和识别最佳生长条件的方法，”作者写道。“新兴的人工智能和机器学习 (ML) 优化方法与高通量实验筛选相结合，为下一代合成工作带来了希望。同样，CNT 晶体管中许多其他材料（包括掺杂剂、触点、栅电极和电介质）的发现、优化和集成也可能通过 ML 结合高通量实验筛选来加速。”

赫萨姆和他的合作者写道，这些努力是值得的。

“在具有 3D 集成潜力的高性能数字逻辑的机会与印刷甚至可回收薄膜电子产品的可能性之间，CNT 晶体管需要学术界、政府和行业贡献者重新甚至加倍努力，”作者们写了。“这些分子晶体管技术触手可及，但前提是科学和工程界能够克服剩余的挑战。”

审核编辑 ：李倩