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芯片技术新突破:用碳纳米管取代硅 拜伟大的摩尔定律所赐,几十年来微芯片技术一次又一次地突破了工艺极限,现在英特尔的第三代Core i系列处理器已经用上了22纳米工艺,英特尔还认为到2020年这个数字还可以缩小到5纳米。但是到那时,硅基芯片的物理极限就很可能成为不可逾越的障碍。因此,人们的唯一出路就是使用另一种技术来制造处理器。人们也一直在努力寻找能够替代当前硅芯片的物质,碳纳米管(CNT)就是主要的研究方向之一,而现在,IBM的研究人员现在已经将碳纳米管芯片技术向前推进了一大步。 碳纳米管是一种非常小的管状六边形结构碳原子。IBM日前宣布,他们的一个八人研究团队已经找到一种能够准确地将它们放在电脑芯片上的方法。这种方法能比以前的方法排列的碳纳米管要密集100倍,是减少芯片制造成本最关键的一步,而且IBM已经制造出一块用1万个碳纳米管晶体管的芯片。 一旦现在的硅晶体管技术发展到了尽头之后,这项新的技术有望帮助碳纳米管成为硅的替代品。现在的芯片是由一个个极小的电子开关,即晶体管组成的,而碳纳米管则会替代在这些晶体管里输送电流的硅通道。IBM的技术可以在两个电触头之间排列单个或一对碳纳米管。碳纳米管连接两端的源极和漏极,是制造晶体管最基本的部分。 碳纳米管具有硅的半导体特性,而这种特性是它成为芯片晶体管的关键。当接通电流时它们有极好的传输电子的能力。但是芯片制造者必须找出一种可以大规模的非常精确地排列碳纳米管的方法,这样的电脑芯片才有可能走向实用阶段。 IBM日前在《自然纳米技术》发布的研究报告称,结合化学方法,他们可以将单个的碳纳米管放置在他们想要放的特殊的沟道里。而且在构造碳纳米管场效应装置(CNTFET)时,能够达到每平方厘米10亿个纳米管的密度。IBM研究者检查有碳纳米管的芯片晶片。晶圆的表面有两种物质,分别是二氧化硅和二氧化铪,二氧化铪形成的沟道能够吸引碳纳米管附着,而二氧化硅则不能。 “这种能精确整齐地放置单个纳米管的能力使制造出大量单-CNT晶体管成为可能。”论文中的研究者提到,“使用这种放置方法,我们制造出了CNTFET阵列,并且在一个芯片上放置了一万多个碳纳米管。” 整个制造过程需要用到多种技术。第一步是准备晶圆(wafer)。晶圆是生产集成电路用的载体,此过程与现在的传统微处理器所使用的相同。在其上表面涂有两层物质,第一层是二氧化铪,在这上面再涂一层特殊的二氧化硅,使得二氧化铪能够有一部分暴露在外面,这个部分就是要与碳纳米管结合的沟道。然后在二氧化铪上涂上一层非常薄的化学材料NMPI。 下一步是准备碳纳米管。它们被包裹在一种类似肥皂的表面活性剂(十二烷基硫酸钠)里,将它们溶在水中,然后将晶圆浸入溶液中。 表面活性剂和NMPI产生互相吸引的化学反应,使碳纳米管结合到二氧化铪的沟道里。IBM的这个方法可以用来整齐的将纳米管放入狭窄的沟道网格里。 IBM还建造了一个与碳纳米管连接的分离装置,这样它们的性能就可以被测量出来了。图中的黑线就是被置入进沟道的碳纳米管,可以看见不是每个纳米管的位置都很精准。放置的越准确,碳纳米管被用作电脑芯片的半导体器件的可能性越大。 虽然碳晶体管的前景非常光明,但是也只是计算领域“后硅时代”的候选者之一。其它的选择还有:与碳纳米管很相近的石墨烯;把硅换成其它元素如铟,砷和镓;硅光子,用光来代替电子来传送信息;自旋电子;另外还有一些更科幻的可能,比如DNA计算和量子计算。而IBM并没有保证这项技术将在商业上可行,但是他们的论文中已经对此表示了乐观的态度,更重要的是,这个过程可以与目前的芯片制造技术的发展相结合。 “这种新的置入技术实施起来不难,只需要一些普通的化学材料和处理过程,而且为将来的CNTFET的实验性研究提供了一个平台。”论文中提到。“此外,这些结果显示,这种通过化学手段使其自组装的CNT置入方法,对于发展可行的CNT逻辑电路技术是很有希望的,并且可与现存的半导体制造技术相结合。” 【来自果壳http://tieba.baidu.com/mo/q/checkurl?url=http%3A%2F%2Fwww.guokr.com&urlrefer=bcb39708baa61e6521db22c00f1758d4】
【水】物理学家已经可以探测到化学键了~ 我错了。。。重开一贴 = = 当美国能源部的lawrence伯克利国家实验室(简称伯克利实验室)的Felix Fisher在想法子用新的可控的方式看见化学反应中石墨烯的纳米结构时,第一份结果是非常惊人的:他得到了能看见单个碳原子和它们之间共价键的美妙图像。 “我们并没有想到要去拍这些漂亮的图案;我们本来是冲着这个化学反应去的,”Fisher说,“但要在单原子的尺度下看见发生了什么,我们得用Michael Crommie的实验室里的一台反应格外敏锐的原子力显微镜。”Fisher是伯克利实验室材料科学部的一名研究员,也是伯克利大学的化学教授。Crommie也是材料学部的研究员,是伯克利的物理教授。 那台显微镜展示给研究人员的东西“令人惊叹”,Fisher如是说。这个反应的特殊结果已然很出人意料了,但这份视觉证据比它更出人意料。“没有人曾经在一个复杂有机反应的前后给单个的分子拍过这样能看见单个化学键的图像,”Fisher说。 研究人员将发表其成果在6月7日的《科学》杂质上,目前可以提前在《科学快讯》上看到。 从小到大,合成纳米石墨烯 纳米石墨烯可以构成电晶体、逻辑门,以及其他小而精巧的电子元件;不过要投入实用,它们得在原子精度下实现量产。目前的技术——例如从石墨上或者碳纳米管上剥离——成败随机,靠由大至小分出来,不能很好地完成量产的任务。 Fisher和他的同事们便着手开发一种从小到大合成石墨烯的方法:利用伯克利教授Robert Bergman原创的反应,将线性链状的碳原子转化为延展的六边形平面(即聚芳烃)。要使这个方法可行,第一个要求便是将反应可控化。图注:在一个平展银质的表面上,最初的反应物质在反应前后都被拍了照,而整个反应发生在90℃以上的温度下。图中展示了两种最常见的终产物。右下角3埃的比例尺 表明出它的纳米尺度。 “在溶液中,我们用的这个反应会产出十好几种产物,要将目标产物分离将会很困难,”Fisher说,“我们没有采用三维的溶液体系去进行这个反应,取而代之构造了一个二维的体系。我们把起始反应物放在银质表面上,然后通过加热来引发反应。” Fisher的课题组和专家Crommie合作,一同设计尽可能好的“拍照”方式。最初的方法是用扫描隧道显微镜(scanning tunneling microscope, STM)来追踪反应进度,它能在样品表面几纳米的范围内感知到不同的电子态。不过这种方法“拍”出的图像分辨率并不高,不足以用于确定分子的结构——他们要看的分子也不过一纳米左右宽。 研究者们接下来尝试了一种叫非接触式原子力显微镜(noncontact atomic force microscopy, nc-AFM)的技术,它用一个灵敏的分子探头来探测样品表面。这个探头在距离样品非常近的时候会在电子力下偏斜,就像留声机的探头在唱片凹槽时一样运动。 “AFM的探头上吸附了一个一氧化碳分子,它的氧原子承担了探测的功能,”Fisher说,“将这个‘原子手指’像阅读布来叶盲文一样在银质表面上前后移动,就好像我们正在用它感知这些原子写出来的原子尺度下的字点一样。”Fisher提到,这个高分辨率的AFM成像法是IMB苏黎世分部的Gerhard Meyer的组首先使用的,“但是我们这里是在用它帮助理解基本化学反应的结果。”图注:当非接触式原子力显微镜的单原子探针在样品上方恒定高度下来回移动时,它“感知”到样品表面电子力的变化。由此带来的探头变化被激光束检测并用电脑成像。 Nc-AFM的单原子探针不仅能够感知到单个的原子,而且还能“摸”出代表着化学键的原子间作用力。最后得到的图像与教科书或者黑板上画出的化学键示意图有着惊人的相似,只不过这里的图不是人们想象出来的。 Fisher说:“所见即所得——你能看见原子间相互作用的电子力,甚至能看出键级。你能从中分辨出单键、双键和三键。” 然而“化学键”这个概念并没有看上去那么简单。在那十好几种可能中,起始分子并没有变成Fisher和队友们直觉上最有可能形成的产物。相应的,反应产生了两种不同的分子。银质表面使反应得以可视化,但同时也出乎意料地重塑了反应进程。 Nc-AFM显微镜为这些有机合成反应提供了震撼的视觉证据,而这些反应所呈现的意外结果进一步强化了这个新方法在合成前沿纳米电子元件方面的前景。 在这个反应能用于制备更多更复杂的石墨烯纳米结构之前,“更多的未知等待着人们去探索,”Fisher说。 转自果壳网
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