Intel斷言沒戲的碳基晶體管來了

近日，北京大學(xué)彭練矛院士、張志勇教授團隊制造出了一款基于陣列碳納米管的90nm碳納米管晶體管，其具備高度集成能力。這意味著在90nm及以下技術(shù)節(jié)點數(shù)字集成電路中碳納米管半導(dǎo)體具備一定的應(yīng)用潛力，也為進一步探索全碳基集成電路提供了深入見解。相關(guān)成果已發(fā)表在《Nature Electronics》上。

事實上，早在2005年，Intel在一篇論文中曾指出：“制備出性能超越硅基N型晶體管的碳納米管器件是不可能的。”的確，隨著集成電路的發(fā)展，摩爾定律已走在失效的邊緣，尋求硅以外替代材料已成為信息產(chǎn)業(yè)的重要方向之一。雖然碳納米管被認為是一個非常有潛力的競爭者，但用傳統(tǒng)摻雜工藝制備碳納米管晶體管遇到了巨大困難。

2007年，上述團隊就提出了非摻雜制備碳納米管CMOS器件的方法，制備出了第一個性能超過同尺寸硅基晶體管的碳納米管晶體管器件。2017年，該團隊在《Science》上發(fā)文，首次制備了5nm技術(shù)節(jié)點的頂柵碳納米管場效應(yīng)晶體管，該器件的本征性能和功耗綜合指標上性能相較同尺寸的傳統(tǒng)硅基晶體管器件約有10倍的優(yōu)勢。

市場研究機構(gòu)IDTechEx指出，隨著硅基器件尺寸逼近物理極限，硅柔性化處理已日趨接近天花板；碳基材料的突破也為柔性電子提供了更好的選擇。其中，CNT和石墨烯憑借優(yōu)異的電性能、透光性特別是延展性，被公認為是柔性電子的“天選”材料。

先進材料市場廣闊

先進材料包羅萬象，如納米管和納米纖維、石墨烯和其他2D材料、量子點、超材料、氣凝膠、生物材料等等。研發(fā)方面有材料信息學(xué)，加工材料的新方法有3D打印和增材制造。實現(xiàn)的關(guān)鍵性能包括電磁干擾屏蔽、熱管理、低（或負）碳足跡、光電特性，還可以實現(xiàn)半導(dǎo)體和先進封裝制造工藝的演變，根據(jù)IDTechEx預(yù)測，先進材料所覆蓋的新興市場如下：

電動汽車：2041年，陸地、海洋和空中，電動汽車市場將達到2.3萬億美元

可穿戴設(shè)備：2025年將達到1380億美元

自動駕駛汽車（ADAS）：2042年25%的乘用車里程將由自動駕駛汽車完成

碳捕獲、利用和儲存（CCUS）：2040年全球碳捕獲能力將達到1265兆噸

5G和工業(yè)4.0：2032年5G市場預(yù)計將達到10000億美元

什么是CNT、SWCNT和MWCNT？

首先，碳納米管（CNT）是一種特殊結(jié)構(gòu)（徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管兩端基本上封口）的一維量子材料。其構(gòu)成主要是數(shù)層到數(shù)十層呈六邊形排列的碳原子同軸圓管。層與層之間保持約0.34nm的固定距離，直徑一般為2-20nm。

CNT的用途

根據(jù)碳六邊形軸向的不同取向可以將CNT分為鋸齒形、扶手椅型和螺旋型三種。螺旋型CNT具有手性（chirality，指一個物體不能與其鏡像相重合的特性），鋸齒形和扶手椅型CNT沒有手性。

那么，什么又是SWCNT和MWCNT呢？按照卷起的石墨烯片材層數(shù)可分為單壁碳納米管（SWCNT，有些人將其稱為“石墨烯納米管”）和多壁碳納米管（MWCNT）。SWCNT是將石墨烯薄片卷成一根管子，其獨特物理性能使其成為一種通用添加劑，在全球50%的材料市場都有潛在應(yīng)用。

SWCNT和MWCNT

SWCNT和MWCNT的性質(zhì)和對材料的影響不同，就像石墨烯（單層碳原子）不同于石墨（多層碳原子）那樣。

SWCNT具有獨特性質(zhì)，柔韌且長，有效濃度在0.01%以上，可以生產(chǎn)任何顏色或透明的導(dǎo)電材料，以保持或改善材料的機械性能。

SWCNT的特性

MWCNT剛性且短，有效濃度為0.5%-5%，只能用于生產(chǎn)黑色導(dǎo)電材料，不能用于透明導(dǎo)電材料，由于所需濃度高會降低材料的機械性能。

SWCNT是CNT家族中性能更高的變體。與MWCNT相比，取決于手性，它既可以提供優(yōu)異的性能，如導(dǎo)電性，也可以提供完全獨特的半導(dǎo)體或金屬功能。不過，SWCNT也面臨著挑戰(zhàn)，尤其是在制造業(yè)（產(chǎn)量、雜質(zhì)、有意義的一致性）和利用方面，特別是在團聚（agglomeration）方面。

MWCNT市場正在蓬勃發(fā)展，主要是由鋰離子電池推動的。其年產(chǎn)量約為數(shù)千噸，很快將達到10萬噸，而SWCNT的產(chǎn)量仍低于100噸，價格也＞1000美元/千克；MWCNT＜40美元/千克，主要市場進入者和產(chǎn)能都在擴張，而SWCNT市場看起來與多年前非常相似，仍在尋找殺手級應(yīng)用。

那么，SWCNT在哪些領(lǐng)域可以獲得成功呢？大致有二：

一是迭代改進：SWCNT通?？梢酝ㄟ^提供較低載荷（不干擾加工或惡化母材性能）和改進的性能來取代其他添加劑，已用在有色聚合物膠衣（colored polymer gelcoat）、耐溫氟橡膠O型圈等方面。

二是革命性應(yīng)用：采用SWCNT將為某些領(lǐng)域帶來無與倫比的性能，兩個領(lǐng)域是半導(dǎo)體和傳感器，包括量子計算和能量存儲。

大自然的恩賜

什么人類以前沒有使用SWCNT？因為在自然界中，只有不完全燃燒的碳中才會出現(xiàn)碳納米管。它最早是在森林大火后的樹木灰燼中發(fā)現(xiàn)的，數(shù)量可達數(shù)千噸。

科學(xué)家也在原產(chǎn)地古印度的大馬士革鋼（一種為制造刀劍采用古老方法鍛造的復(fù)合型鋼）中發(fā)現(xiàn)了SWCNT的痕跡，還有中國古代的墨汁。

1976年，日本科學(xué)家內(nèi)藤森信在奧爾良大學(xué)進行研究時發(fā)現(xiàn)了碳納米管。

1991年，NEC（日本電氣）筑波研究所的飯島澄男（Sumio lijima）首次以論文形式報道了碳納米管。

數(shù)十年來，關(guān)于碳納米管的論文已有800,000余篇，專利50,000余件。研究證實，SWCNT可以作為地球上大多數(shù)材料的通用添加劑。然而，SWCNT直到最近才被用于工業(yè)，因為缺乏大規(guī)模生產(chǎn)技術(shù)，因此價格昂貴。

2013年，OCSiAl創(chuàng)造了第一項合成SWCNT的工業(yè)技術(shù)——TUBALL?，成為第一個大規(guī)模應(yīng)用的SWCNT品牌。

與現(xiàn)有碳基材料相比，即使是0.01%的TUBALL?也能以前所未有的方式改變其他材料的性質(zhì)。當SWCNT分布在材料基體中時，會形成三維增強和導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，具備了實現(xiàn)新特性的機制。

SWCNT納米管由碳原子組成，能夠在非常低的濃度下構(gòu)建3D網(wǎng)絡(luò)，與任何其他導(dǎo)電和增強添加劑不同，對材料的原始顏色和關(guān)鍵性能影響最小。

SWCNT的3D網(wǎng)絡(luò)能夠提供一種具有前所未有特性的材料。

CNT性能幾何？

既然是材料，力學(xué)性能首當其沖，CNT是目前可制備出的最高比強度的材料，其抗拉強度達50-200GPa，是鋼的100倍，密度卻只有1/6；彈性模量可達1TPa，與金剛石相當，約為鋼的5倍；硬度與金剛石相當，卻有良好的拉伸柔韌性；強度比同體積的鋼高100倍，重量卻不到1/6。

CNT結(jié)構(gòu)與石墨片層結(jié)構(gòu)相同，具有很好的電學(xué)性能，既可表現(xiàn)出金屬的電學(xué)性能，又具有半導(dǎo)體的電學(xué)性能。

熱學(xué)性能方面，通過合適的取向，CNT可以合成高各向異性熱傳導(dǎo)材料，實現(xiàn)良好的傳熱性能。其熱導(dǎo)率較高，在復(fù)合材料中摻雜微量CNT，即可顯著改善復(fù)合材料的熱導(dǎo)率。

CNT技術(shù)潛力何在？

如果能夠?qū)崿F(xiàn)令人興奮的納米級性能，包括從機械性能到熱導(dǎo)率和導(dǎo)電率以及其他性能，就將產(chǎn)生深遠的全球影響。然而，眾所周知，現(xiàn)實與理論理想相去甚遠。

自20世紀90年代初成立以來，CNT成為了前景看好的材料，以下是其與銅比較的一些最佳報告值。

CNT和銅對比

其他好處還有：更高的彎曲強度、更低的溫度阻力系數(shù)（TCR）、更低的熱膨脹系數(shù)（CTE）、更好的耐腐蝕性和成本穩(wěn)定性（在非常大體積下）；但問題是，在宏觀尺度方面，SWCNT的手性決定了其原子幾何形狀和電子結(jié)構(gòu)；而MWCNT中不同壁上的手性差別也將導(dǎo)致石墨烯層被切割出不同的對稱性，因此手性優(yōu)化至關(guān)重要。

另外，不同類型納米管需要各種技術(shù)和制造準備。制備納米管只是第一步，還需要考慮如何對其進行功能化、純化和/或分離以及集成，后處理和分散技術(shù)的重要進步也是任何市場成功的關(guān)鍵。

VACNT在用作TIM（熱界面材料）方面很有前景，已經(jīng)探索了幾十年。其優(yōu)點是穩(wěn)定性、導(dǎo)電性和機械性能。碳纖維有兩種類型：嵌入樹脂和獨立片材/陣列材料。樹脂不僅會降低電導(dǎo)率，而且可能會限制溫度范圍。因此，最受關(guān)注的是純片材。它有三個需要不斷應(yīng)對的主要挑戰(zhàn)：

固有導(dǎo)熱性：片材必須對齊、致密、均勻且相對無缺陷

熱接觸電阻：由于表面粗糙，估計只有3%-15%的陣列有助于熱傳輸

VACNT陣列的有效轉(zhuǎn)移：使用獨立CNT制造具有挑戰(zhàn)性，通常需要在700℃以上完成，因此與將接觸的基底不兼容。

堪稱新型戰(zhàn)略材料

儲能是目前CNT最廣泛的應(yīng)用場景，它可以降低鋰電池內(nèi)阻，提高克容量和高倍率放電功率密度；降低導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑用量，延長使用壽命，提高低溫放電性能，降低快速充放電時的電池溫度，有助于超高溫、超低溫環(huán)境使用。

IDTechEx預(yù)測，受儲能應(yīng)用推動，到2032年，CNT市場需求量將超過7萬噸/年。其重要的商業(yè)增長時刻即將到來，通過擴張、合作、收購和更多的市場采用，真正的市場成功正在顯現(xiàn)。

電子應(yīng)用的形式主要是CNT導(dǎo)電塑料，其優(yōu)點是電阻率為10-1-106，可以作為抗靜電材料、電磁屏蔽、柔性穿戴電子材料；還可以用作導(dǎo)電銀漿制造金屬化電極，是光伏電池制造的關(guān)鍵原材料。它可以替代50%的銀粉，大幅降低成本。

在航空航天、國防軍工領(lǐng)域，CNT的應(yīng)用形式是增強材料，以其他工業(yè)材料作為基體，摻雜CNT形成復(fù)合材料；還可以將CNT添加到潤滑油中，其納米微粒分布于摩擦界面起到微軸承作用，進一步改善潤滑性能，減小摩擦；作為強化學(xué)穩(wěn)定性的防腐劑，CNT能夠摻雜在涂料中達到防腐效果，減少因腐蝕帶來的損失。

新的擴張時代已經(jīng)到來

2020年以后，在蓬勃發(fā)展的電動汽車鋰離子電池陰極的推動下，CNT應(yīng)用進入了一個新的擴張時代。這并不是說市場已經(jīng)成形，從生產(chǎn)到功能化和集成仍需要大量創(chuàng)新和發(fā)展，以便可能形成具有很高深寬比的獨特物種、與其他添加劑結(jié)合形成混合產(chǎn)品、使用替代原料或形成高導(dǎo)電連續(xù)紗線。

SWCNT尚處于早期階段，從使用共同原料到等離子工藝和燃燒合成，制造業(yè)出現(xiàn)了更多的多樣性?？傊?，隨著關(guān)鍵合作伙伴關(guān)系的建立、一些擴張和市場活動，CNT材料正在開啟其商業(yè)旅程。

總之，以石墨烯、碳納米管、金剛石等材料為核心的碳基功能材料和器件研究方興未艾，碳基電子學(xué)已成為主導(dǎo)未來高科技競爭的顛覆性技術(shù)之一。