碳基芯片将替代硅基芯片

徐长发，华中科技大学，2020.7.25

碳纳米管在理论上有很多应用，特别是制作碳管半导体、碳管晶体管和碳基芯片，可是要实现上述应用就必须解决许多复杂工艺问题，这些都是原子层面上的工艺问题，是非常困难的事情。

一.碳纳米管的多种修饰需求

碳纳米管要实际应用，就必须按照不同应用目的去修饰碳纳米管。

1.碳纳米管怎么延长?

要将碳纳米管变为连接线，就得将其加长。普通得到的碳纳米管很短，如何让其仅在端部生长呢?经研究，烷基、羟基、羧基都与碳纳米管有良好的结合部位，发现在化学气相淀积过程中加入氢和某种含硫化合物后，单层碳纳米管会自我组装，由短变长，现在人们可以获得20厘米长的单层碳纳米管了。

在实验中人们还发现一个有趣的现象，对多个碳纳米管组成的管束中，如果用工具抽出一根碳管，其它的碳管会跟着排队接成长的碳管。

理论上把碳纳米管做到更长是可行的，例如在碳纳米管的端口部位做修饰羧，安置上羧基，接上碳管后高温加固。此方法是可以重复进行的。但是人们需要的是批量生产的方法，只能等待进一步的研究和制作结果。

2.碳纳米管的纯化

一般情况下，碳纳米颗粒、单层碳纳米管、多层碳纳米管和石墨碎片是混合在一起的，如何提取碳纳米管呢?特别是如何提取单层碳纳米管呢?

物理纯化方法：把混合体溶于水中，利用水煮和超声波分散，利用离心方法获得长度大的，再用沉淀和干燥方法，结果获得80-90%的碳纳米管，这种方法的优点是过程简单，缺点是纳米管长度受损，最终产品中仍有少量的碳纳米颗粒。

化学纯化方法：用碱(氢氧化钠)可以有效地把这些混合物分散开，过滤掉部分细颗粒碎片;用无离子水冲洗干净;再使用氧化剂(浓硫酸/浓硝酸=1/3)，因为碎片和碳颗粒先被氧化，碳纳米管比较稳定，所以氧化过程能够进一步去除碳纳米颗粒，仅留下碳纳米管。最终产物是单层或多层的碳纳米管，且纯度高。这种方法的优点是碳纳米管的纯度高，缺点是手续复杂，氧化过程也会损耗碳纳米管的长度。

高温退火方法：在1600-3000℃惰性气体环境下，多层管的外壁缩小且内壁扩大，不仅能够修补单层管的缺陷而且能增加单层管的纯度。

综合以上的基础研究，现在采用一边气相生产碳纳米管，一边催化增长碳纳米管，一边高温退火消除碎片和碳颗粒，一边增加单层碳纳米管的纯度，这样综合手段的效果较好，而且也适用批量生产。

3.碳纳米管如何固定在基质上

研究和实验都证明，把碳纳米管制成分散悬浮液态，滴涂在基质或电极上，在惰性环境下对其进行锻烧，碳纳米管可有效地固定在基质或电极上了。

把碳纳米颗粒、碳纳米管涂在飞机表面上，可以做到高质量的隐身效果。

4.碳纳米管的表面功能修饰

先把金属氧化物颗粒分散在相应的溶胶中，让这些颗粒吸附在碳纳米管表面，再干燥，再在惰性环境下对其进行锻烧，锻烧温度应超过金属氧化物的相转化温度。此方法优点是：工艺比较简单，可以控制氧化物颗粒的密度，可以批量生产。

还有一种气相沉积的修饰方法，即把待附着的金属或金属氧化物气化，将碳纳米管置于这种气化环境中，这种表面修饰方法也很有效。

碳管经氟化处理，超疏水，超疏油。

二.碳纳米管如何做成电器元件

碳纳米管奇特的电特性能够被用于制作碳管晶体管。这方面的基础研究很多，下面列出几项。

1. 如何在碳纳米管两端引出电极，中部引出电极(栅极)?

只要碳纳米管接触电极，在高温的惰性环境下可实现牢固结合，因此对碳纳米管引出电极不是一件难事。

如果给栅极施加合适的电压时，碳纳米管便由导体变为绝缘体，从而实现了“0”、“1”状态的转换。

2.碳纳米管如何做成半导体?

如果碳纳米管的一端连接n型(或者p型)半导体材料，就成为n型(或者p型)半导体;一端连接n型材料，另一端连接p型材料，就成为n-p结，它具有整流特性。同样的道理，可以制作p-n-p结。

3.碳纳米管如何制作三极管?

将碳纳米管的一端连接n型材料，另一端连接p型材料，在碳纳米管中部作为“门电极”输入电子，可以有效地控制输出电流大小，这和普通三极管的表现一样，但是控制电流更小，输出电流的变动更大;也就是说，用碳纳米管可以做出尺寸更小，效果更好的二极管和三极管。

4.碳纳米管如何垂直固定在基质材料上?

将碳纳米管一端修饰亲水离子，另一端修饰疏水离子，这样的碳管可以垂直分布在溶液中，溶液滴在材料表面上时，其碳管也是垂直于材料表面的;在上下(垂直于碳管)位置用金属基底、或者半导体材料基底压紧，真空干燥，惰性环境下高温固定，这样的碳纳米管就垂直于两端的材料表面了。

用垂直放置碳管的方法也同样可制作开关管、二极管和三极管，而且这样的碳管场效应管之间的间隔可以做到纳米级别。

5.碳管可以做出用于集成电路的“场效应薄膜”吗?

硅基集成电路的基础器件是CMOS(互补金属氧化物半导体)，它以前一直是在硅质晶圆上制出N型结和P型结的基本元件，再由这些半导体去构成各种电器元件，例如“开关管”、“半导体管”、“三极管”、“静态随机存取内存”、“微控制器”、“微处理器”、“数字逻辑电路系统”、“传感元件”等等。

集成电路发展的基本方向在于晶体管的尺寸缩减，从而可以获得集成度更高、运行更快、构造更复杂的芯片。目前主流CMOS技术即将发展到7纳米和5纳米技术节点，后续发展将非常困难。

碳纳米管垂直放置构成场效应管，这被认为是构建理想碳管芯片的形式;碳纳米管的管径只有1-2纳米;管与管之间具有优异的栅极静电控制能力，更容易克服短沟道效应;超高的载流子迁移率;这些性质都能够保证碳纳米管集成电路或碳基芯片具有更高的性能和更低的功耗。

理论研究表明碳管芯片相对于硅基芯片来说，运行速度能提高5-10倍，功耗能够降低5-10倍。

要用碳纳米管做集成电路和芯片且批量生产，其关键在于制备出碳管场效应薄膜，它要求碳管是超高纯度的、垂直顺排的、高密度排列的、大面积均匀排列的，碳纳米管阵列薄膜。

如何实现碳纳米管的高纯度?前面曾经介绍过关于“高纯度单层碳纳米管的制备方法”，这个问题已经解决了。

如何实现碳纳米管垂直、密集、均匀地而不能相互接触地固定于基质材料上?这应该是一项有技术含量的工艺。

这里介绍一种较稀疏垂直排列的方法，读者从中可以体会到更密集垂直排列的情形。

第一步，将高纯度单层碳纳米管原料加入分散液中，控制浓度，分散均匀;

第二步，让分散液负压渗透滤膜，滤膜厚度就是实际应用的碳管高度，滤膜的空隙密度就是碳管的分布密度，滤膜中的碳管是均匀垂直分布在滤膜空隙中 的，取出滤膜，冲洗多余分散液，脱水;

第三步，将附着有碳纳米管的滤膜置于基底材料上，或者上下两层压实，负压干燥，在惰性环境下高温处理，碳管会固定在基材上而且滤膜自然消除。

2017年1月，北京大学张志勇、彭练矛课题组，发展出一种全新的提纯和自组装单层碳管的方法，单层碳管直径为1.45±0.23纳米，纯度达99.99995%;在4英寸基底上获得了间隔为5纳米的垂直有序排列的碳管阵列;首次制备出这种高质量、高性能的碳管场效应薄膜，并以此制作出了场效应晶体管和环形震荡电路(震荡频率在5.5 GHz以上)。

应该明白这项技术的重大意义，它突破了碳管电子学的发展瓶颈，首次在实验室中显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势，首次制作出了无掺杂的碳管CMOS晶体管，性能非常优秀并遥遥领先传统硅器件，为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础，它是制作5纳米碳基芯片的根本技术，其工艺技术可以批量生产，其工艺技术世界领先。

硅基芯片现在已经从5纳米技术冲击3纳米技术，这不仅带来越来越大的技术困难，而且晶体管距离再小就会影响功能，硅基芯片快走到了尽头了。可是，碳基芯片的制作成本低，性能远远超过硅基芯片，将来在各种芯片应用方面，碳基芯片都必将替代硅基芯片。

我国的碳基芯片工艺已经处于世界前列，将不再被少数国家卡脖子了。

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