革命性的计算机技术:金属碳电路元件可用于更快、更高效的碳基晶体管

金属石墨烯纳米带的原子结构

宽频带金属石墨烯纳米带(GNR)扫描隧道显微镜图像。每一簇突出物对应一个单占据电子轨道。在每个星系团附近形成的五边形环使金属gnr的导电性提高了十倍以上。GNR主链的宽度为1.6纳米。图片来源:丹尼尔·里佐(Daniel Rizzo)拍摄的加州大学伯克利分校图片

碳基电脑的金属线工具箱。

以碳而非硅为基础的晶体管有可能提高计算机的速度,并将其功耗降低1000倍以上——比如一部充电数月的手机——但到目前为止,构建工作碳电路所需的一套工具仍然不完整。

一个由化学家和物理学家组成的团队加利福尼亚大学伯克利分校他最终创造了工具箱中的最后一个工具,一种完全由碳制成的金属线,为制造碳基晶体管和最终的计算机的研究奠定了基础。

加州大学伯克利分校化学教授费利克斯·菲舍尔(Felix Fischer)说:“保持在同一种材料中,在碳基材料领域中,是将这项技术结合在一起的原因。”他指出,用同一种材料制造所有电路元件的能力使制造变得更容易。“这是全碳基集成电路架构大局中缺失的关键因素之一。”yabovip2021

金属线——就像计算机芯片中用于连接晶体管的金属通道一样——将电力从一个设备传送到另一个设备,并将晶体管(计算机的基本构件)内的半导体元件互连。

加州大学伯克利分校(UC Berkeley group)多年来一直在研究如何利用太阳能制造半导体和绝缘体石墨烯纳米带是一种狭长的一维金属带原子这是一种完全由碳原子组成的结构,排列成类似铁丝网的相互连接的六边形图案。

窄带金属石墨烯纳米带的原子结构

窄带金属石墨烯纳米带(GNR)扫描隧道显微镜图像。白色突起对应的是被精心安排成扩展导电态的单占电子轨道。这里GNR的主干宽度只有1.6纳米。图片来源:丹尼尔·里佐(Daniel Rizzo)拍摄的加州大学伯克利分校图片

这种新型碳基金属也是石墨烯纳米带,但其设计着眼于所有碳晶体管中半导体纳米带之间的导电电子。菲舍尔的同事、加州大学伯克利分校物理学教授迈克尔·克罗米(MichaelCrommie)说,金属纳米带是由更小的相同构件组装而成的:一种自下而上的方法。每个构建块贡献一个电子,可以沿着纳米带自由流动。

虽然其他碳基材料——如扩展的二维石墨烯薄片和碳纳米管——可以是金属的,但它们也有自己的问题。例如,将二维石墨烯薄片重塑成纳米尺度的石墨烯条,就会自动将其变成半导体,甚至是绝缘体。碳纳米管是优良的导体,不能像纳米带那样大量制备,具有同样的精度和重现性。

克罗米说:“纳米带使我们能够通过自下而上的制造,在化学上获得广泛的结构,这是纳米管尚不可能实现的。”“这让我们基本上可以将电子缝在一起,创造出金属纳米带,这是以前没有做过的。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性,其电导率应与二维石墨烯本身相当。

菲舍尔补充说:“我们认为金属线确实是一个突破;这是我们第一次有意识地用碳基材料制造出超窄金属导体——一种良好的固有导体,而不需要外部掺杂。”。

克罗米、费舍尔和他们在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的同事们将在2020年9月25日的期刊上发表他们的发现科学类

调整拓扑

根据摩尔定律,硅基集成电路几十年来一直以不断提高的速度和性能为计算机提供动力,但它们正在达到速度极限——即它们在0和1之间切换的速度。降低功耗也变得越来越困难;计算机已经使用了世界能源生产的很大一部分。菲舍尔说,碳基计算机的切换速度可能比硅基计算机快很多倍,并且只需使用部分功率。

石墨烯是纯碳材料,是下一代碳基计算机的主要竞争者。然而,窄条石墨烯主要是半导体,挑战在于使它们也能作为绝缘体和金属工作——两个极端相反,分别是完全不导电和完全导电的——以便完全用碳制造晶体管和处理器。

几年前,菲舍尔和克罗米与理论材料科学家、加州大学伯克利分校物理学教授史蒂文·路易(Steven Louie)合作,发现了连接小长度纳米带的新方法,从而可靠地创造出完整的导电性能。

两年前,该团队演示了通过以正确的方式连接纳米带的短片段,每个片段中的电子可以被安排成一种新的拓扑状态——一种特殊的量子波函数——导致可调谐的半导体特性。

在这项新的工作中,他们使用一种类似的技术将短段的纳米带缝合在一起,形成一条数十纳米长、仅一纳米宽的导电金属线。

纳米带是用化学方法制造的,并用扫描隧道显微镜在非常平坦的表面上成像。简单的加热被用来诱导分子发生化学反应,并以正确的方式结合在一起。菲舍尔将菊花链积木的组装比作一套乐高积木,但乐高积木的设计符合原子尺度。

他说:“它们都是经过精密设计的,所以只有一种方式可以组合在一起。就像你拿了一袋乐高玩具,摇一摇,就出来了一辆完全组装好的汽车。”。“这就是用化学控制自组装的魔力。”yabovip2021

一旦组装好,新的纳米带的电子状态是一种金属——正如路易所预测的那样——每个部分贡献一个导电电子。

最终的突破可以归因于纳米带结构的微小变化。

克罗米说:“利yabovip2021用化学,我们创造了一个微小的变化,大约每100个原子中只有一个化学键发生变化,但这使纳米带的金属丰度增加了20倍,从实用的角度来看,这对于使其成为一种好的金属非常重要。”。

这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,将他们的半导体、绝缘和金属石墨烯纳米带工具箱组装成工作晶体管。

菲舍尔说:“我相信这项技术将彻底改变我们未来制造集成电路的方式。”。“这将使我们从目前硅的最佳性能上迈出一大步。我们现在有了一条以更低功耗获得更快开关速度的道路。这正是推动未来碳基电子半导体产业发展的原因。”

参考文献:“通过零模超晶格诱导石墨烯纳米带中的金属丰度”,作者:Daniel J.Rizzo、Gregory Veber、Jingwei Jiang、Ryan McCurdy、Ting Cao、Christopher Bronner、Ting Chen、Steven G.Louie、Felix R.Fischer和Michael F.Crommie,2020年9月25日,科学类
DOI: 10.1126 / science.aay3588

该论文的共同作者是加州大学伯克利分校物理系的Daniel Rizzo和Jingwei Jiang,以及化学系的Gregory Veber。yabovip2021其他合著者包括来自加州大学伯克利分校的Steven Louie, Ryan McCurdy, Ting Cao, Christopher Bronner和Ting Chen。Jiang, Cao, Louie, Fischer和Crommie隶属于伯克利实验室,而Fischer和Crommie是Kavli能源纳米科学研究所的成员。

这项研究得到了海军研究办公室、能源部、能效电子科学中心和国家科学基金会的支持。

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