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碳基计算机用碳金属线完整工具箱

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基于碳而不是硅的晶体管可以潜在地将计算机的速度提高1000倍以上,并可以将其功耗降低一千倍以上(例如,一部手机可以充电数月之久),但是构建有效的碳电路所需的工具集仍然不完整现在。

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,为进一步开展研究以建立碳基晶体管奠定了基础,并且最终是计算机。

加州大学伯克利分校化学系教授费利克斯·费舍尔(Felix Fischer)表示:“将这种技术整合到一起,是在碳纤维材料领域内保持相同的材料,”他指出,用同一材料制造所有电路元件的能力可以制造更轻松。“这一直是全碳基集成电路架构大局中缺少的关键因素之一。”

金属线(如用于连接计算机芯片中晶体管的金属通道)可在设备之间传递电流,并使晶体管内的半导体元件(计算机的组成部分)相互连接。

加州大学伯克利分校(UC Berkeley)小组已经致力于如何用石墨烯纳米带制造半导体和绝缘体,石墨烯纳米带是一维窄的一维原子厚的石墨烯带,这种结构完全由碳原子组成,排列成相互连接的六角形,类似于鸡肉线。

新的碳基金属也是石墨烯纳米带,但设计时要注意全碳晶体管中半导体纳米带之间的导电电子。Fischer的同事,加州大学伯克利分校的物理学教授Michael Crommie说,金属纳米带是通过将它们由较小的相同构造块组装而成的:自下而上的方法。每个结构单元均贡献一个电子,该电子可沿纳米带自由流动。

尽管其他碳基材料(例如石墨烯和碳纳米管的二维扩展板)可以是金属的,但它们也存在问题。例如,将2D石墨烯薄片重塑为纳米级条,可自发地将它们变成半导体,甚至绝缘体。碳纳米管是极好的导体,不能以与纳米带相同的精度和可重复性大量制备。

Crommie说:“纳米带使我们能够使用自下而上的制造方法化学地接触各种各样的结构,而纳米管还无法做到这一点。” “这使我们能够将电子基本缝合在一起以创建金属纳米带,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,也是我们对此感到如此兴奋的原因。”

金属石墨烯纳米带(具有宽的,部分填充的金属电子带特征)具有可与2D石墨烯本身的电导率相媲美的特性。

“我们认为金属线确实是一项突破;这是我们第一次有意用碳基材料有意制造一种超窄金属导体,一种良好的本征导体,而无需外部掺杂。” Fischer添加了。

加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(Berkeley Lab)的Crommie,Fischer及其同事将在9月25日的《科学》杂志上发表他们的发现。

根据摩尔定律,基于硅的集成电路已经为计算机供电了数十年,其速度和性能都在不断提高,但是它们已经达到了速度极限,即它们可以在零和一之间切换的速度。降低功耗也变得越来越困难。计算机已经消耗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计算机快许多倍,并且仅消耗很小一部分功率。

石墨烯是纯碳,是这些下一代碳基计算机的主要竞争者。窄带的石墨烯主要是半导体,然而,挑战在于使它们也能用作绝缘体和金属(与极端情况相反,分别完全不导电和完全导电),以完全由碳构成晶体管和处理器。

几年前,菲舍尔(Fischer)和克罗米(Crommmie)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,从而可靠地创建了全范围的导电性能。

两年前,该团队证明,通过正确连接纳米带的短段,可以将每个段中的电子排列成一个新的拓扑状态(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段缝合在一起,以创建一条数十纳米长,仅几纳米宽的导电金属线。

纳米带是化学产生的,并使用扫描隧道显微镜在非常平坦的表面上成像。简单的加热就可以使分子发生化学反应,并以正确的方式结合在一起。菲舍尔将菊花链式积木的装配与一组乐高玩具进行了比较,但乐高玩具的设计适合原子级。

他说:“它们都是经过精确设计的,因此它们只能以一种方式装配在一起。就好像你拿着一袋乐高玩具,然后摇晃它,然后就产生了一辆完全组装好的汽车。” “这就是用化学方法控制自组装的魔力。”

组装完成后,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,每个部分都贡献一个导电电子。

最终的突破可以归因于纳米带结构的微小变化。

“使用化学,我们产生了微小的变化,即每100个原子中只有一个化学键发生了变化,但是这将纳米带的金属性提高了20倍,从实用的角度来看,这一点很重要。使它成为一种很好的金属,”克罗米说。

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。” “这应该使我们比现在可以预期的硅具有最好的性能有很大的进步。我们现在有一条途径,可以以更低的功耗获得更快的开关速度。这就是推动向碳基动力的推动力。未来的电子半导体产业。”

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