基于碳而不是硅的晶体管可能会提高计算机的速度并将其功耗降低一千倍以上——想想一部可以充电数月的手机——但是构建工作碳电路所需的工具集仍然不完整，直到现在。

加州大学伯克利分校的一个化学家和物理学家团队终于创造了工具箱中的最后一个工具，一条完全由碳制成的金属线，为构建碳基晶体管的研究奠定了基础，最终，计算机。

加州大学伯克利分校化学教授 Felix Fischer 说：“在碳基材料领域内保持相同的材料，现在将这项技术结合在一起，”他指出，用相同的材​​料制造所有电路元件的能力使得制造更轻松。“这是全碳基集成电路架构大局中缺失的关键因素之一。”

金属线——就像用于连接计算机芯片中晶体管的金属通道——在设备之间传输电流，并将晶体管内的半导体元件互连起来，晶体管是计算机的构建块。

加州大学伯克利分校的研究小组多年来一直致力于研究如何用石墨烯纳米带制造半导体和绝缘体，石墨烯纳米带是窄的、一维原子厚的石墨烯条带，一种完全由碳原子组成的结构，以相互连接的六边形图案排列，类似于鸡金属丝。

这种新的碳基金属也是一种石墨烯纳米带，但其设计着眼于在全碳晶体管中的半导体纳米带之间传导电子。Fischer 的同事、加州大学伯克利分校物理学教授 Michael Crommie 说，金属纳米带是通过将它们从较小的相同构建块组装而成的：一种自下而上的方法。每个构建块都会贡献一个可以沿着纳米带自由流动的电子。

虽然其他碳基材料(如扩展的二维石墨烯和碳纳米管)可以是金属的，但它们也有问题。例如，将二维石墨烯片重新塑造成纳米级条带，可以自发地将它们变成半导体，甚至绝缘体。碳纳米管是优良的导体，不能以与纳米带相同的精度和再现性大量制备。

“纳米带使我们能够使用自下而上的制造方法以化学方式访问各种结构，这是纳米管无法实现的，”克罗米说。“这使我们能够基本上将电子缝合在一起以创建金属纳米带，这是以前从未做过的事情。这是石墨烯纳米带技术领域的重大挑战之一，也是我们对它如此兴奋的原因。”

金属石墨烯纳米带——具有宽的、部分填充的金属电子带特征——在电导方面应该与二维石墨烯本身相当。

“我们认为金属线确实是一个突破;这是我们第一次能够有意地用碳基材料制造超窄金属导体——一种良好的本征导体，而无需外部掺杂，”菲舍尔补充道。

Crommie、Fischer 和他们在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)的同事将在 9 月 25 日的《科学》杂志上发表他们的发现。

调整拓扑

根据摩尔定律，几十年来，基于硅的集成电路为计算机提供了不断提高的速度和性能，但它们正在达到速度极限——即它们在零和一之间切换的速度。降低功耗也变得越来越困难。计算机已经使用了世界能源生产的很大一部分。Fischer 说，基于碳的计算机的切换速度可能比硅计算机快许多倍，并且只使用一小部分功率。

石墨烯是纯碳，是这些下一代碳基计算机的主要竞争者。然而，窄带石墨烯主要是半导体，挑战在于让它们也用作绝缘体和金属——相反的极端，分别是完全不导电和完全导电——以便完全用碳来构造晶体管和处理器。

几年前，Fischer 和 Crommie 与理论材料科学家、加州大学伯克利分校物理学教授 Steven Louie 合作，发现了连接小长度纳米带的新方法，以可靠地创建全色域的导电性能。

两年前，该团队证明，通过以正确的方式连接纳米带的短片段，可以排列每个片段中的电子以创建新的拓扑状态 - 一种特殊的量子波函数 - 导致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，以创建几十纳米长、仅一纳米宽的导电金属线。

纳米带是通过化学方法创建的，并使用扫描隧道显微镜在非常平坦的表面上成像。使用简单的热量来诱导分子发生化学反应并以正确的方式结合在一起。Fischer 将菊花链积木的组装比作一套乐高积木，但乐高积木的设计适合原子尺度。

“它们都经过精确设计，因此只有一种方式可以将它们组合在一起。就好像你拿着一袋乐高积木，摇晃它，一辆完全组装好的汽车就出来了，”他说。“这就是用化学控制自组装的魔力。”

组装后，新纳米带的电子状态是金属——正如路易预测的那样——每个部分都贡献一个导电电子。

最终的突破可归因于纳米带结构的微小变化。

“使用化学，我们创造了一个微小的变化，大约每 100 个原子只改变一个化学键，但这使纳米带的金属丰度增加了20 倍，从实用的角度来看，这很重要，让它成为一种好金属，”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工具箱组装成工作晶体管。

“我相信这项技术将彻底改变我们未来构建集成电路的方式，”Fischer 说。“这应该让我们从目前可以预期的硅的最佳性能上迈出一大步。我们现在有一条途径以更低的功耗获得更快的开关速度。这就是推动碳基未来的电子半导体产业。”