智客网 2016-09-06 09:25:59 热度:

里程碑式突破 碳纳米晶体管性能上首次超越硅晶体管

智客网9月5日消息,据美国威斯康星大学麦迪逊分校官网近日报道,该校材料学家成功研制的1英寸大小碳纳米晶体管,首次在性能上超越硅晶体管和砷化镓晶体管。这一突破是碳纳米管发展的重大里程碑,将引领碳纳米管在逻辑电路、高速无线通讯和其他半导体电子器件等技术领域大展宏图。

里程碑式突破 碳纳米晶体管性能上首次超越硅晶体管

碳纳米管管壁只有一个原子厚,是最好的导电材料之一,因而被认为是最有前景的下一代晶体管材料。碳纳米管的超小空间使得它能够快速改变流经它的电流方向,因此能达到5倍于硅晶体管的速度或能耗只有硅晶体管的1/5.由于一些关键技术挑战无法攻克,碳纳米晶体管的性能表现远远落后于硅晶体管和砷化镓晶体管,无法在计算机芯片和个人电子产品中得到运用。

而最新的碳纳米晶体管获得的电流是硅晶体管的1.9倍,性能首次超越目前技术水平最高的硅晶体管。材料工程学教授迈克·阿诺德和帕德玛·高帕兰领导的研究团队在《科学进展》上发表的最新研究论文介绍。

碳纳米管内往往会混杂一些金属纳米管,这些金属纳米管会造成电子装置短路,从而破坏碳纳米管的导电性能。而研究团队利用聚合物获得了去除金属纳米管的独有条件,最终将金属纳米管的含量降到0.01%以下,几乎是超高纯度的碳纳米管。

研究团队还研发出一种溶解方法,成功移除碳纳米管制造过程中产生的残渣。阿诺德表示:“我们的研究同时克服了碳纳米管面临的多重障碍,最终获得了性能首超硅晶体管的1英寸碳纳米晶体管。碳纳米管的许多设想仍有待实现,但我们终于在二十年后实现了赶超。”

扩展阅读:

碳纳米管(英语:Carbon Nanotube,缩写CNT)是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产的碳纤维中发现的。它是一种管状的碳分子,管上每个碳原子采取sp2混成,相互之间以碳-碳σ键结合起来,形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与混成的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同,分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细,只有纳米尺度,几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽,碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。

碳纳米管不总是笔直的,局部可能出现凹凸的现象,这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出现五边形的地方,由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端,就形成碳纳米管的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。

 根据《自然》(Nature)2013年9月25日报道,史丹佛大学开发出全球首台完全以碳纳米管(carbon nanotubes)所组成的电脑,并已经成功运转,这台电脑叫作「Cedric 」,目前还非常的简陋,只具备基本功能,但却可能发展成比现今任何一台硅晶电脑都快且更有效率的电脑。

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「Cedric」由178个电晶体所组成,每个电晶体有10~200个奈米碳管,总计有20亿颗碳原子。

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