宽带金属石墨烯纳米带(GNR)的扫描隧穿显微镜图像。每一簇突起对应一个单独占据的电子轨道。在每个星系团附近形成的五边形环使金属GNRs的导电性增加了十倍以上。GNR骨架的宽度为1.6纳米。(加州大学伯克利分校丹尼尔·里佐拍摄)
基于碳而非硅的晶体管有可能提高计算机的速度，并将耗电量降低1000倍以上——想想手机就能充电好几个月——但建立工作碳电路所需的一整套工具直到现在还没有完成。
加州大学伯克利分校(University of California, Berkeley)的一组化学家和物理学家终于制造出了工具箱里的最后一个工具——完全由碳构成的金属线，这为加速制造基于碳的晶体管和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)的化学教授费利克斯·菲舍尔(Felix Fischer)说:“保持在相同的材料内，在碳基材料的范围内，是现在将这种技术结合在一起的原因。”他指出，用相同的材料制造所有电路元件的能力使制造更加容易。“这是全碳基集成电路架构所缺失的关键元素之一。”
金属线——就像计算机芯片中用来连接晶体管的金属通道一样——将电能从一个设备传输到另一个设备，并将晶体管中的半导体元件(计算机的基本构件)互连起来。
加州大学伯克利分校的研究小组多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。石墨烯纳米带是一种原子厚度的窄一维条状石墨烯，这种结构完全由碳原子组成，排列成类似铁丝网的六角形结构。
这种新的碳基金属也是石墨烯纳米带，但其设计着眼于在全碳晶体管的半导体纳米带之间传导电子。费希尔的同事，加州大学伯克利分校的物理学教授迈克尔·克伦密说，金属纳米带是用同样的小块材料组装而成的:这是一种自下而上的方法。每一个构件都贡献了一个电子，这个电子可以在纳米带上自由流动。
虽然其他碳基材料——比如扩展的2D石墨烯和碳纳米管——可以是金属材料，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条带，就会自发地将它们变成半导体，甚至绝缘体。碳纳米管是一种优良的导体，但它不能像纳米带那样在大量生产时具有同样的精度和可重复性。
克伦米说:“纳米带允许我们使用自下而上的制造方法从化学上获得广泛的结构，这在纳米管上是不可能的。”“这使得我们能够将电子缝合在一起，创造出金属纳米带，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金属宽且部分填充电子带的特性，其电导应该可以与2D石墨烯媲美。
“我们认为金属电线确实是一个突破;这是我们第一次有意地用碳基材料制造出超窄的金属导体——一种良好的固有导体，而不需要外部掺杂。”Fischer补充道。
克伦米、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9月25日出版的《科学》杂志上发表他们的发现。
调整拓扑
根据摩尔定律，基于硅的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，但它们正在达到它们的速度极限——也就是它们在0和1之间切换的速度。降低能耗也变得越来越难;计算机已经使用了世界能源生产的很大一部分。Fischer说，碳基计算机的转换速度可能比硅计算机快很多倍，而且只使用小部分的能量。
石墨烯是一种纯碳材料，是下一代碳基计算机的主要竞争者。然而，石墨烯的窄条主要是半导体，而挑战在于如何使它们同时作为绝缘体和金属(两个极端，完全不导电和完全导电)工作，以便完全用碳来构建晶体管和处理器。
几年前，菲舍尔和克伦密与加州大学伯克利分校物理学教授、理论材料科学家史蒂文·路易(Steven Louie)合作，发现了连接小段纳米带以可靠地创造全范围导电性能的新方法。
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——从而产生可调谐的半导体特性。
在这项新工作中，他们使用类似的技术将纳米带的短片段缝合在一起，从而制造出数十纳米长、仅1纳米宽的导电金属线。
纳米带是用化学方法制造出来的，并用扫描隧道显微镜在非常平坦的表面上成像。简单的热量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。费舍尔将菊花链搭成的积木比作一套乐高玩具，但乐高是设计成适合原子尺度的。
“它们都是经过精确设计的，所以只有一种方式可以把它们组合在一起。就好像你拿着一袋乐高玩具，摇一摇，就出来一辆组装完整的汽车，”他说。“这就是用化学控制自我组装的魔力。”
一旦组装好，新的纳米带的电子状态就是一种金属——正如路易所预测的那样——每一段都有一个导电电子。
最终的突破可以归因于纳米带结构的微小变化。
“利用化学，我们创造了一个微小的变化，大约每100个原子只改变一个化学键，但这增加了纳米带的金属丰度20倍，从实际的角度来看，这是重要的，使其成为一种优质金属，”克伦密说。
这两位研究人员正与加州大学伯克利分校的电气工程师合作，将他们的工具箱中的半导体、绝缘和金属石墨烯纳米带组装成工作晶体管。
费舍尔说:“我相信这项技术将彻底改变我们在未来构建集成电路的方式。”“它应该会让我们比目前硅的最佳性能提高一大步。”我们现在有了一种路径，可以以更低的功耗获得更快的切换速度。这就是推动未来碳基电子半导体产业发展的动力。”
论文的共同主要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。其他合著者还有加州大学伯克利分校的史蒂文·路易(Steven Louie)、瑞恩·麦科迪(Ryan McCurdy)、曹婷、克里斯托弗·布朗纳(Christopher Bronner)和陈婷。姜，曹，路易，费希尔和克伦密隶属于伯克利实验室，而费希尔和克伦密是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、节能电子科学中心和国家科学基金会的支持。
相关信息
- 通过零模超晶格诱导石墨烯纳米带的金属丰度(科学)
- 纳米带束缚电子(2018年8月8日)
- 费利克斯·费希尔实验室网站
- 史蒂文路易实验室网站
- Michael Crommie实验室网站
新闻旨在传播有益信息，英文原版地址：https://news.berkeley.edu/2020/09/24/metal-wires-of-carbon-complete-toolbox-for-carbon-based-computers/