宝石上的纳米管

INTRODUCTION

电信号在碳纳米管中的传输速度远胜于在硅中的传输速度，理论上可以制造出速度更快的计算机。但在硅化合物表面制造的碳纳米管晶体管会因电极和硅之间的相互作用增加能耗，最近科学家们用蓝宝石作衬底解决了能耗高的问题。

碳纳米管可以在高级电路中制成理想的导线，不过，要把这些又小又黏、松松软软的丝状物排布成线，得费很大的劲。科学家们现在已经发现，蓝宝石晶体可以自动引导纳米管，将它们排布成建造晶体管和制作柔性电子元件所需要的图案。

电信号在碳纳米管中的传输速度远胜于在硅中的传输速度理论上可以制造出速度更快的计算机，美国南加利福尼亚大学的电气工程师周崇武（Chongwu Zhou）这样解释说。此外，纳米管还可以做得很小——只有传统硅电路中理论最小尺寸的1/5。

为了制造纳米管电路，科学家们可以随机散布纳米管，然后在任何可行的地方接上电极，也可以尝试先让纳米管彼此“生长”在一起，然后在上面制作电极。不过，所有这些方法都是缓慢而低效的。这让科学家们不禁想知道，是不是存在某种衬底，可以自然地将纳米管定位。在对不同的晶体进行了一年多的实验之后，周崇武和他的同事们发现，蓝宝石晶体正好可以胜任。蓝宝石晶体属于六方晶系，晶胞从底平面向上延伸。同时，他们还发现，蓝宝石的大部分纵向切片都明显地显露出规则排布的铝原子和氧原子，这可以促使纳米管沿着规整的方向整齐地生长。

在2006年1月的《纳米快报》（ Nano Letters ）杂志中，周崇武的小组报告说，他们用这种排列整齐的纳米管成功制作了晶体管。研究人员在可批量生产的人造蓝宝石上，涂上一层被称为铁蛋白（ferritin）的笼状蛋白质，再加以烘烤，同时让烃类气体（hydrocarbon gas）吹过表面。蛋白质中的铁会起到催化作用，使烃气中所含的碳生长为单壁纳米管。一旦蓝宝石被纳米管覆盖，研究人员就能够将晶体管的金属电极安置在他们想放的任何地方，再用高度电离的氧气去除多余的纳米管。

过去，碳纳米管晶体管通常都是在电子工业中常见的硅化合物表面制造的。它的缺点是金属电极和硅之间会相互影响，吸收电荷，从而降低性能、增加能耗。周崇武的方法消除了多余的消耗，因为蓝宝石是绝缘的，并不是像硅那样的半导体。他的方法与所谓的蓝宝石衬底硅（silicon-on-sapphire）的制作技术密切相关，IBM和其他芯片制造商已经将这种衬底工艺应用到高性能电路的制造当中。“因此我们可以从半导体工业中借用许多知识。”周崇武评论说。

在与其他的碳纳米管电子技术进行比较时，用蓝宝石衬底法制得的纳米管排布规则，密度也最高，每微米可达40个。周崇武说，其他方法只能达到每微米1～5个。纳米管的密度至关重要，因为电极之间的纳米管越多，可被传导的信号也就越多。通过改变铁蛋白中铁的含量，研究人员就能够控制纳米管的密度。

研究人员能够轻松地将纳米管晶体管制成柔性电子元件：将一层塑料薄膜烘烤到纳米管晶体管上，再剥离下来，晶体管就会附着在薄膜之上。碳纳米管柔性电子元件可以“轻而易举地”胜过目前工业中所采用的硅基柔性电子元件。周崇武预见到这种电子元件的实际用途，如可用于大型平板显示器、车辆挡风玻璃和智能卡。他还指出，这种规则排布的纳米管可被用作传感器：假如附着其上的分子能够跟癌症标志物或其他化合物发生反应，他们就可以通过这种纳米管来传送电子信号。

这些发现“是一项非常重要的结果，解决了与集成电路碳纳米管制造相关的一道最难的问题”，王康（Kang Wang）评价说，他是美国加利福尼亚大学洛杉矶分校多功能纳米构建中心的主任。他指出了尚待攻克的另一道重要难关：确保使用这种技术制造的所有纳米管都是半导体性的，因为目前制造出来的纳米管还是金属性（完全导电）和半导体性纳米管的混合物。