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美国威斯康星大学麦迪逊分校科研人员采用新工艺，将碳纳米管精确排列到2.54×2.54厘米的基板上，只花了5分钟。该技术突破使得碳纳米三极管有望取代硅三极管。
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几十年来，科学家试图用碳纳米管（carbon nanotube，简称CNT）制造性能和功耗都优于硅元件的电子元件，以获得更长的电池寿命、更快的无线通信速率和更高的计算速度。由于晶体管是最基础电子元件，因此也是CNT电子技术的主攻方向。
然而，由于碳纳米管的管壁厚度只有一个原子，因此它的三极管的研发之路面临诸多挑战。长期以来，CNT晶体管的性能远远低于传统的硅和砷化镓材料三极管。
近日，美国威斯康星大学麦迪逊分校的材料科学家们首次制成了性能超过硅三极管的CNT三极管。
该项目负责人是威斯康星大学麦迪逊分校材料科学和工程教授米切尔·阿诺德（Michael Arnold）和帕达马·格帕兰（Padma Gopalan）。他们研制的CNT阵列三极管的导电率高出普通CNT三极管七倍，饱和工作电流密度更是超过了相同条件下的硅三极管和砷化镓三极管。研究成果的相关论文发表在了《Science Advances》上。
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阿诺德称，该突破是纳米学界20年来梦寐以求的成果，为CPU、高速通信和其他电子器件的碳纳米化奠定了基础。
高性能CNT三极管除了可以进一步推动计算机硬件的发展外，由于其面积小，支持通过的电流大，特别适合应用于高速无线通信芯片的领域。
作为多种有望替代硅材料的电子材料之一，CNT三极管很早即在实验室中被发明。从理论上来说，碳纳米三极管能够以硅三极管1/5的功耗达到同样的速度，或者在同样的功耗下达到硅三极管5倍的速度。
CNT三极管如此神奇的原因在于，它的超小体积允许流经它的电流能够以比硅三极管更快的速度变化。更快的响应速度意味着可以支持更高的信号带宽，碳纳米三极管对无线通信领域意义重大。
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米切尔·阿诺德和他的研究生杰拉德·布拉迪（Gerald Brady），后者是《Science Advances》论文的第一作者。CNT三极管性能首次超过硅三级管是纳米技术领域的重大突破。
但是科学家始终找不到合适的方法来提纯碳纳米管*，威斯康星大学麦迪逊分校的科研团队利用高分子聚合物分散剂把半导体碳纳米管中的金属性杂质降低到不足0.01%的技术。
* 碳纳米管在制备的过程中会同时生成半导体碳纳米管和金属碳纳米管，两者提纯后都是性能优良的材料，但是若混合在一起，金属碳纳米管会造成短路，因而破坏半导体碳纳米管的电性质。具体相关情况请见DT君前文《碳纳米管分离技术实现重大突破，全面取代晶体硅迈出第一步》（点击标题阅读）。
除了提纯的问题，准确地把碳纳米管排列成设计好的形状也非常困难。2014年，同一研究组发明了一种称为“悬浮蒸发自组装”（floating evaporative self-assembly）的技术，实现了碳纳米管的快速精细排列。
解决了上两个问题，还有第三个问题。CNT三极管还必须和金属引脚可靠地焊接在一起而不短路。研究团队在提纯半导体碳纳米管是使用的聚合物分散剂，在碳纳米管和金属电极之间形成了绝缘层。
因此，在制造的最后，科学家们需要把碳纳米器件放入真空中烘烤以去除绝缘层，确保良好接触，而不残留杂质。
至此，研究团队克服了多个技术难关，成功制成了性能超过硅和砷化镓三极管的碳纳米三极管。
研究团队的下一步研究方向是改进CNT器件，使之更加小型化。使用CNT器件制造高效的手机微波信号放大器的工作也在进行，以求提高手机信号的质量。此外，科学家还在试图制造比2.54×2.54厘米更大的CNT集成电路。
阿诺德表示，人们已经为CNT电子器件设想了很多用途，但却迟迟造不出器件本身。“实现纳米科技界数十年来的梦想真是一件很酷的事情。”
研究人员已经委托威斯康星校友研究基金来处理专利事宜。
参考：
G. J. Brady, et al, Quasi-ballistic carbon nanotubearray transistors with current density exceeding Si and GaAs, Science Advances2016, DOI: 10.1126/sciadv.1601240
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