91av破解无限制,完全由碳制成的金属线:为碳基计算机奠定基础

 2020-10-18 03:25:23  阅读   作者 感悟三十文章网

摘要:

指南根据加州大学伯克利分校官方网站上的最新报告,该校的一组化学家和物理学家创建了一条完全由碳制成的金属线,为进一步研究制造碳基晶体管奠定了基础。背景如今,诸如智能手机和笔记本电脑之类的电子产品无处不在。但是,我们一直在追求更快的运行速度和更低的功耗。因此,作为电子设备的基础,晶体管研究领域的技术突破非常重要。

  指南

  根据加州大学伯克利分校官方网站上的最新报告,该校的一组化学家和物理学家创建了一条完全由碳制成的金属线,为进一步研究制造碳基晶体管奠定了基础。

  背景

  如今,诸如智能手机和笔记本电脑之类的电子产品无处不在。但是,我们一直在追求更快的运行速度和更低的功耗。因此,作为电子设备的基础,晶体管研究领域的技术突破非常重要。

  

  各种类型的晶体管(图片来源:维基百科)

  根据摩尔定律,随着半导体技术的不断发展,晶体管的尺寸将继续缩小,并且可以容纳在单个芯片上的晶体管的数量持续增加。 如今,最先进的芯片中容纳的晶体管数量已超过100亿。

  

  摩尔定律-集成电路芯片上的晶体管数量(1976-2016)(图片来源:维基百科)

  但是,随着晶体管尺寸接近5纳米,我们将面临新的问题,例如“量子隧穿效应”。“换句话说,电子不再受欧姆定律的约束,并且已经穿越了无法穿越的势垒,从而导致集成电路泄漏,从而使晶体管不可靠。另外,随着单个芯片上集成晶体管的数量持续增加,由电荷引起的发热问题将变得更加严重,这将影响芯片的处理速度和性能。

  为了打破传统硅基芯片开发所面临的物理限制和瓶颈,近年来,全世界的科学家开始研究替代硅基芯片的新材料。

  

  由碳纳米管场效应晶体管制成的新型微处理器的显微图像。(图片来源:菲丽丝·弗兰克尔)

  

  石墨烯光电晶体管(图片来源:Erin Easterling /普渡大学)

  碳基晶体管有望提高计算机的速度,并将其功耗降低到千分之一以下(我们可以想象一部手机可以保持数月的电量)。但是到目前为止,构建有效的碳循环所需的工具集仍然不完整。

  革新

  最近,加州大学伯克利分校的化学家和物理学家团队终于在工具箱中创建了最后一个工具,即完全由碳制成的金属线,用于进一步研究以制造碳基晶体管,并最终成为碳基计算机。。

  加利福尼亚大学伯克利分校化学系教授费利克斯·费舍尔(Felix Fischer)指出,用同一材料制造所有电路组件的能力使制造变得更加容易。他说:“碳基材料领域的相同材料是现在可以集成这项技术的原因。这一直是全碳基集成电路体系结构总体图中缺少的关键内容之一。”

  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)的研究人员于2020年9月25日在《科学》杂志上发表了他们的发现。

  技术

  金属线(例如用于连接计算机芯片中的晶体管的金属通道)将电子从一个设备传输到另一个设备,并使晶体管(计算机构件)中的半导体组件相互连接。

  加州大学伯克利分校的团队一直在研究如何使用石墨烯纳米带制造半导体和绝缘体。石墨烯纳米带是一维,原子厚的石墨烯窄带。石墨烯是完全由碳原子组成的结构,其以相互连接的六边形图案排列,类似于六边形金属丝网。

  

  石墨烯结构示意图(照片来源:Tatiana Shepeleva / Shutterstock)

  

  石墨烯纳米带示意图(照片来源:Yves Rubin)

  尽管其他碳基材料(例如膨胀的二维石墨烯和碳纳米管薄片)也可以是金属,但仍然存在问题。例如,将二维石墨烯片重塑成纳米级条带可以自动将它们变成半导体,甚至绝缘体。碳纳米管是极好的导体,但不能以与纳米带相同的精度和可重复性来大量生产。

  克罗米说:“纳米带使我们能够以自下而上的方式化学访问各种结构,而纳米管目前无法做到。这使我们基本上可以将电子缝合在一起以创建金属纳米带,这是我们之前从未做过的。这是石墨烯纳米带技术领域的主要挑战之一,这就是为什么我们对此感到如此兴奋。”

  金属石墨烯纳米带(以宽的,部分填充的金属电子带为特征)具有与二维石墨烯本身相当的电导率。

  菲舍尔补充说:“我们相信金属线确实是一项突破。这是我们首次有意使用碳基材料制造超窄金属导体(良好的本征导体)而无需外部掺杂。”

  根据摩尔定律,基于硅的集成电路几十年来一直在推动计算机的发展,其速度和性能一直在不断提高,但是它们已经达到了速度极限,这意味着在0和1之间切换的速度已经达到 达到极限。降低功耗也变得越来越困难。计算机消耗了世界能源生产的很大一部分。Fischer说,碳基计算机的切换速度预计将比硅计算机快许多倍,并且仅消耗少量电能。

  石墨烯是纯碳,是这些下一代碳基计算机的主要竞争对手。窄带石墨烯主要是半导体。 但是,挑战在于使它们同时充当绝缘体和金属(分别相对,完全不导电和完全导电),从而使晶体管和处理器完全由碳制成。

  几年前,菲舍尔和克罗米(Fischer and Cromi)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芬·路易(Steven Louie)合作,发现了一种连接小长度纳米带以可靠地产生全方位电导率的新方法。

  两年前,研究小组证明,通过正确连接纳米带的短段,每个段中的电子可以排列成新的拓扑状态(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,他们使用了类似的技术将纳米带的短部分缝合在一起,以创建一条数十纳米长而仅几纳米宽的导电金属线。

  如下所示:宽带金属石墨烯纳米带(GNR)的扫描隧道显微镜图像。每个突出的簇对应于单个电子轨道占据的位置。在每个簇附近形成五边形环将导致金属GNR的电导率增加十倍以上。GNR主干的宽度为1。6纳米。

  

  (照片来源:Daniel Rizzo /加州大学伯克利分校)

  纳米带是化学生产的,并使用扫描隧道显微镜在非常平坦的表面上成像。简单加热会导致分子发生化学反应并以正确的方式结合在一起。Fischer将菊花链构建块的组装与Lego玩具进行了比较,但这是一种符合原子尺度的Lego设计。

  他说:“它们都经过精确设计,因此只能以一种方式组装。这就像拿着一袋乐高玩具,摇晃它,然后从一辆完全组装好的汽车中出来一样。这是化学控制自组装的魔力。”

  组装完成后,新的纳米带的电子状态为金属,正如路易斯所预言的,每个部分贡献一个导电电子。

  最终的突破归因于纳米带结构的微小变化。

  克罗米说:“我们使用化学方法产生微小变化,即每100个原子中只有一个化学键变化,但这会使纳米带的金属性能提高20倍。 从实用的角度来看,重要的是要成为好金属。”

  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建集成电路的方式。这应该使我们能够比目前硅片所期望的最佳性能迈出一大步。现在,我们有一种方法能够以较低的功耗实现更快的开关速度。将来,这将促进碳基电子半导体产业的发展。”

  关键词

  石墨烯,晶体管,碳,硅,半导体

  参考

  【1】丹尼尔·J。 Rizzo,Gregory Veber,姜经纬,Ryan Mccurdy,曹婷,Christopher Bronner,陈婷,Steven G. 路易·费利克斯·R。 菲舍尔(Michael F.) 克罗米通过零模式超晶格在石墨烯纳米带中诱导金属性。科学,2020 DOI:10。1126 / science。aay3588

  [2]https:// news。伯克利。edu / 2020/09/24 /用于基于碳纤维的计算机的碳金属完整工具箱/

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