24 1 月, 2022

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“核心发现”用于将纳米管变成一个微小的晶体管——比人类头发的宽度小 25,000 倍

单壁纳米管分子结的设计视图,左右两端有金属段,它们之间有一个 ~3.0 nm 的超短半导体通道。 图片来源:莫斯科国立科技大学

一个国际研究小组使用一种插入电子显微镜的独特仪器制造了一个比人类头发宽度小 25,000 倍的晶体管。

这项发表在《科学》杂志上的研究涉及来自日本、中国、俄罗斯和澳大利亚的研究人员,他们参与了五年前开始的项目。

领导该研究项目的昆士兰大学材料科学中心联合主任 Dmitriy Golberg 教授表示,这一结果是“非常有趣的基础发现”,可以为未来开发用于下一代高级计算的小型晶体管开辟道路设备。

德米特里·戈尔伯格

Dmitriy Golberg 教授领导了一个团队,该团队使用一种插入电子显微镜的独特仪器制造了一个比人类头发宽度还小 25,000 的晶体管。 信用:QUT

“在这项工作中,我们已经证明可以控制单个碳纳米管的电子特性,”Golberg 教授说。

研究人员通过同时施加电源和低电压,加热由几层组成的碳纳米管,直到外管的外壳分开,留下单层纳米管,从而制造出微型晶体管。

然后热量和应变改变了纳米管的“纠缠”,这意味着碳原子融合在一起形成纳米管壁的单个原子层的模式重新排列。

连接碳原子的新结构的结果是将纳米管转变为晶体管。

莫斯科国立科技大学 Golberg 教授团队的成员创造了一个理论,解释了在晶体管中观察到的原子结构和特性的变化。

主要作者、日本国际纳米材料建筑中心的 Dai-Ming Tang 博士说,这项研究证明了操纵纳米管的分子特性来制造纳米电子器件的能力。

五年前,当 Gulberg 教授领导该中心的研究小组时,唐博士开始从事该项目。

“半导体碳纳米管有望用于制造节能纳米晶体管,以构建超越硅的微处理器,”唐博士说。

然而,单独决定原子几何形状和电子结构的单个碳纳米管的各向异性仍然难以控制。

“在这项工作中,我们通过机械加热和压力改变金属纳米管段的局部对比度来设计和制造分子内碳纳米管晶体管。”

Golberg 教授表示,这项研究展示了制造微型晶体管的基础科学,是朝着构建超越硅的微处理器迈出的有希望的一步。

用于开关和放大电子信号的晶体管通常被称为所有电子设备(包括计算机)的“积木”。 例如,苹果表示为未来 iPhone 提供动力的芯片包含 150 亿个晶体管。

几十年来,计算机行业一直专注于开发越来越小的晶体管,但它面临着硅的局限性。

近年来,研究人员在开发纳米级晶体管方面取得了重大进展,这些晶体管非常小,数以百万计的晶体管可以装入针头。

“将晶体管微型化到纳米尺度对现代半导体和纳米技术行业提出了重大挑战,”戈尔伯格教授说。

“目前的发现虽然对于小型晶体管的大规模生产不切实际,但展示了一种新的制造原理,并为使用纳米管热机械处理获得具有所需特性的最小晶体管开辟了新的视野。”

参考文献:“通过热机械变化在金属碳纳米管中形成半导体纳米通道”,作者:Dai-Ming Tang、Sergey V. Eruhen、Dmitriy J. Kvashnin、Victor A. Chen, Don N. Futaba, Yongjia Zheng, Rong Xiang, Xin Zhou, Feng-Chun Hsia, Naoyuki Kawamoto, Masanori Mitome, Yoshihiro Nemoto, Fumihiko Uesugi, Masaki Takeguchi, Shigeo Maruyama, Hui-Ming Cheng, Yoshio Bando, Lishiu Bando, Pavel B Sorokin 和 Dmitriy Golberg,2021 年 12 月 23 日在此处提供。 科学.
DOI:10.1126 / science.abi8884

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