研究人员终于制造出由碳制成的金属线

基于碳而不是硅的晶体管可能会提高计算机的速度，并将功耗降低一千倍以上--想想一部充电几个月的手机--但到目前为止，建造工作碳电路所需的一整套工具仍然不完整。

加州大学伯克利分校(University of California，Berkeley)的一个化学家和物理学家团队终于发明了工具箱中的最后一种工具，一种完全由碳制成的金属丝，为加快制造碳基晶体管以及最终制造计算机的研究奠定了基础。

加州大学伯克利分校(UC Berkeley)化学教授费利克斯·费舍尔(Felix Fischer)表示：“保持在相同的材料内，在碳基材料领域内，是现在将这项技术结合在一起的原因。”他指出，能够用相同的材料制造所有电路元件，使得制造变得更容易。“在基于全碳的集成电路架构的宏伟图景中，这一直是缺失的关键因素之一。”

金属线-就像用来连接计算机芯片中的晶体管的金属通道-从一个设备到另一个设备输送电力，并将晶体管内的半导体元素互连起来，晶体管是计算机的组成部分。

加州大学伯克利分校(UC Berkeley)的研究小组几年来一直在研究如何用石墨烯纳米带制造半导体和绝缘体。石墨烯纳米带是原子厚的一维窄条石墨烯，这种结构完全由碳原子组成，排列成相互连接的六边形图案，类似于鸡丝。

这种新的碳基金属也是石墨烯纳米带，但在设计时着眼于在全碳晶体管的半导体纳米带之间传导电子。费舍尔的同事、加州大学伯克利分校物理学教授迈克尔·克洛米(Michael Crommie)说，金属纳米带是通过从更小的完全相同的积木组装而成的：一种自下而上的方法。每一块积木都贡献了一个可以沿着纳米带自由流动的电子。

虽然其他碳基材料-如加长的2D石墨烯和碳纳米管-可以是金属的，但它们也有自己的问题。例如，将二维石墨烯重塑成纳米级的条带，可以自发地将它们变成半导体，甚至是绝缘体。碳纳米管是一种优良的导体，不能像纳米带那样大量地制备精度和重复性。

Crommie说：“纳米带允许我们使用自下而上的制造方法在化学上获得广泛的结构，这是纳米管还不可能做到的。”“这使得我们基本上可以将电子缝合在一起，创造出一种金属纳米带，这是以前没有做过的事情。这是石墨烯纳米带技术领域面临的重大挑战之一，也是我们对此感到如此兴奋的原因。“

金属石墨烯纳米带-具有金属的宽的、部分填充的电子能带特性-在导电性方面应该与2D石墨烯本身相当。

费舍尔补充说：“我们认为金属线真的是一个突破；这是我们第一次可以有意识地从碳基材料中制造出一种超窄的金属导体-一种良好的本征导体，而不需要外部掺杂。”

加州大学伯克利分校(UC Berkeley)和劳伦斯·伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的Crommie、Fischer和他们的同事将在9月1日发表他们的发现。“科学”杂志第25期。

几十年来，根据摩尔定律，硅基集成电路一直在以不断提高的速度和性能驱动计算机，但它们正在达到速度极限-即它们在0和1之间切换的速度有多快。降低能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。费舍尔说，碳基计算机的开关速度可能比硅计算机快很多倍，而且只使用很小一部分的电力。

石墨烯是纯碳的，是这些基于碳的下一代计算机的主要竞争者。然而，狭窄的石墨烯主要是半导体，挑战一直是让它们同时用作绝缘体和金属-截然相反的极端，分别是完全不导电和完全导电-以便完全用碳建造晶体管和处理器。

几年前，Fischer和Crommie与加州大学伯克利分校物理学教授、理论材料科学家史蒂芬·路易(Steven Louie)合作，发现了连接小长度纳米带的新方法，以可靠地创建全部导电性质。

两年前，该团队证明，通过以正确的方式连接纳米带的短片段，每一片段中的电子可以被安排来创建一种新的拓扑态-一种特殊的量子波函数-从而产生可调的半导体特性。

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，创造出几十纳米长、仅一纳米宽的导电金属线。

纳米带是通过化学方法制造出来的，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。费舍尔将菊花链式积木的组装比作一组乐高积木，但乐高积木的设计符合原子尺度。

“它们都是经过精确设计的，因此只有一种方法可以将它们装配在一起。这就好像你拿了一袋乐高积木，摇了摇，就出来了一辆完全组装好的汽车，“他说。“这就是用化学控制自我组装的魔力。”

一旦组装完成，新纳米带的电子态就是金属--正如路易预测的那样--每一段都贡献了一个导电电子。

Crommie说：“利用化学，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的变化，但这将纳米带的金属丰度提高了20倍，从实用的角度来看，这对使其成为一种好的金属是很重要的。”

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。

“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，”费舍尔说。“这应该会使我们在目前硅所能预期的最佳性能的基础上迈出一大步。我们现在有了一条以低得多的功耗获得更快交换速度的途径。这就是推动未来发展碳基电子半导体产业的动力。“。

这篇论文的联合主要作者是加州大学伯克利分校物理系的Daniel Rizzo和蒋经纬，以及化学系的Gregory Veber。其他合著者是加州大学伯克利分校的史蒂文·路易(Steven Louie)、瑞安·麦柯迪(Ryan McCurdy)、曹婷、克里斯托弗·布朗纳(Christopher Bronner)和陈。江、曹、路易、费舍尔和克洛米隶属于伯克利实验室，而费舍尔和克洛米是卡夫利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、节能电子科学中心和国家科学基金会的支持。