碳纳米管的现状和前景

碳纳米管的现状和前景

信息技术更新日新月异，正如摩尔定律所言，集成电路的集成度每隔18 个月翻一番，即同样的成本下，集成电路的功能翻一倍。这些进步基于晶体管的发展，晶体管的缩小提高了集成电路的性能。

在硅基微电子学发展的过程中,器件的特征尺寸随着集成度的越来越高而日益减小,现在硅器件已经进入深微亚米阶段，也马上触及到硅器件发展的瓶颈，器件将不再遵从传统的运行规律,具有显著的量子效应和统计涨落特性. 为了解决这些问题,人们进行了不懈地努力,寻找新的材料和方法，来提高微电子器件的性能。研究基于碳纳米管的纳电子器件就是其中很有前途的一种方法。

碳纳米管简介

一直以来都认为碳只有两种形态——金刚石和石墨。直至1985年发现了以碳60为代表的富勒烯、从而改变了人类对碳形态的认识。1991年，日本筑波NEC研究室内科学家首次在电子显微镜里观察到有奇特的、由纯碳组成的纳米量级的线状物。此类纤细的分子就是碳纳米管

碳纳米管有许多优异的性能，如超高的反弹性、抗张强度和热稳定性等。被认为将在微型机器人、抗撞击汽车车身和抗震建筑等方面有着极好的应用前景。但是碳纳米管的第一个获得应用的领域是电子学领域、近年来，它已成为微电子技术领域的研究重要方面。

研究工作表明，在数十纳米上下的导线和功能器件可以用碳纳米管来制造，并连接成电子电路。其工作速度将过高于已有的产品而功率损耗却极低!

不少研究组已经成功地用碳纳米管制成了电子器件。例如IBM 的科学家们就用单根半导体碳纳米管和它两端的金属电极做成了场效应管（FETs）。通过是否往第三电极施加电压，可以成为开关，此器件在室温下的工作特性和硅器件非常相似，而导电性却高出许多，消耗功率也小。按理论推算，纳米级的开关的时钟频率可以达到1太赫以上，比现有的处理器要快1000倍。

碳纳米管的分类

石墨烯的碳原子片层一般可以从一层到上百层，根据碳纳米管管壁中碳原子层的数目被分为单壁和多壁碳纳米管。

单壁碳纳米管（SWNT）由单层石墨卷成柱状无缝管而形成是结构完美的单分子材料。SWNT 的直径一般为1－6 nm，最小直径大约为0.5 nm，与C36 分子的直径相当,但SWNT 的直径大于6nm 以后特别不稳定，会发生SWNT 管的塌陷，长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT 的最小直径与富勒烯分子类似，故也有人称其为巴基管或富勒管。

多壁碳纳米管MWNT可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。其层数从2～50 不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为2～30nm 和0.1～50μm。多壁管在开始形成的时候，层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常

布满小洞样的缺陷。

碳纳米管的制备方法

自1991年发现碳纳米管以来，已有数十种合成碳纳米管的方法问世，也发现一些新的转化途径。

（1）碳蒸发法。该方法包括电弧法、激光烧灼法、等离子体法、太阳能法等。这些方法都是是用石墨或者是含碳量高的煤作原料，在极高温度下，使原料中碳原子蒸发，之后在不同惰性或非氧化气氛中，使用特定的环境压强以和不同类型的金属催化剂，使蒸发后的碳原子合成碳纳米管。

（2）含碳气体以及烃类或有机金属化合物的催化热解法。

（3）固相热解法。

（4）电化学法。

（5）含碳无机物转化法

（6）环芳构化形成筒状齐聚物等型的合成方法。

（7）扩散火焰法和低压烃火焰法等。

碳纳米管的生长原理

在了解了碳纳米管生长的环境之后，我们需要了解碳纳米管生长的原理，以期能控制碳纳米管按照需要的性质进行生长。在不同的合成方法及工艺条件下，碳纳米管的形核及生长机理并不相同。

迄今为止。较为流行的生长机制包括：“开口生长”机制、“封口生长”机制、“由里及外”机制、“由外及里”机制以及C2添加机制。此外还有六边形碳环凝聚、螺旋生长及管内生长等等。

在这些生长机制中，“开口生长”机制最易理解，也最为流行。而螺旋生长机制、由里及外生长机制和由外及里生长机制均承认碳纳米管生长过程中，管端是保持开放的。Dresslhaus等人从碳纳米管生长适应尽量消除悬键出发提出的“C2添加”机制为大多数人所接受。以上各种机制均承认C2是碳纳米管生长时碳原子的主要供给单元。

碳纳米管生长机理的主要两种模型：开口生长模型和闭口生长模型。开口模型认为碳管在生长过程中，其顶端总是开着口；当生长条件不适应时，则倾向于迅速封闭；只要碳管口开着；它就可继续生长、直至封闭。

闭口生长模型则认为碳管的生长过程中，其顶端总是封闭的，管的径向生长使由于小的碳原子簇(C2)不断沉积而发生，C2吸附过程在管端存在的五环缺陷协助下完成，这一模型可用于解释碳纳米管的低温（约1100℃）生长机理，因为开口生长时所需悬键在如此低温下极不稳定。

总之，上述生长机制从不同侧面指出了碳纳米管生长过程中可能遵循的途径。这些生长机制不是从电子显微镜观察结果入手，就是从单纯的物理概念出发，抽象孤立地进行讨论，忽略了其合成、长大时的具体物理条件。因而，有关碳纳米管的生长机制的研究，仍然碳纳米管研究领域的一个重要课题。

用碳纳米管搭建电路

碳纳米管具有硅的半导体特性，而这种特性是它成为芯片晶体管的关键。当接通电流时它们有极好的传输电子的能力。但是必须找出一种可以大规模的非常精确地排列碳纳米管的方法，这样的才能用碳纳米管构建电路。

现在有一种方法能精确整齐地放置单个纳米管，并使制造出大量单-CNT晶体管，整个制造过程需要用到多种技术。第一步是准备晶圆（wafer）。晶圆是生产集成电路用的载体，此过程与现在的传统微处理器所使用的相同。在其上表面涂有两层物质，第一层是二氧化铪，在这上面再涂一层特殊的二氧化硅，使得二氧化铪能够有一部分暴露在外面，这个部分就是要与碳纳米管结合的沟道。然后在二氧化铪上涂上一层非常薄的化学材料NMPI。

下一步是准备碳纳米管。它们被包裹在一种类似肥皂的表面活性剂（十二烷基硫酸钠）里，将它们溶在水中，然后将晶圆浸入溶液中。

表面活性剂和NMPI产生互相吸引的化学反应，使碳纳米管结合到二氧化铪的沟道里。

碳纳米管的优势

随着集成电路集成度的提高，电路本身产生的热聚集和金属导线里电子逸出的问题，一直是硅集成电路难以克服的障碍，而纳米管有可能解决上述问题。

散热问题，碳纳米管有着同金刚石和蓝宝石相近的热导率，所以可以迅速地冷却，而且由于碳原子间的化学键强于任何其他金属，可以允许大电流通过。按某些测量结果表明，截面为1平方厘米的碳纳米管束允许通过的电流可以达到1×10＾9 安培，而在同样的电流密度下，铜或金都会因为电阻热而气化，而采用碳纳米管就可以避免这样的问题。

碳纳米管还有个独特的电子学性质，即量子效应愈显重要。当器件足够小时，导体的电阻概念需用量子力学模型来替换。该领域是硅工艺从未达到的，它可能会导致新的问题。最近有人在纳米管里发现了所谓的库仑堵塞现象，电子只能逐个地进入，能够强力地阻止“插队”的电子。该现象可用来制造单电子晶体管，可能会是电子器件里灵敏度最高的。所以说，纳米管不仅可以做成更小更好的器件，同时是新型的完全以量子效应为基础的产品。在实用化之前还有许多工作要做。有些问题很实际，如包括纳米管在内的分子器件都有个对电磁场、温度和化学环境变化所引起的噪声很敏感的问题；在一个分子就能起作用的条件下，如何控制污染将是很大的挑战。

碳纳米管遇到的挑战

虽然碳晶体管的前景非常光明，但是也只是计算领域“后硅时代”的候选者之一。其它的选择还有：与碳纳米管很相近的石墨烯；把硅换成其它元素如铟，砷和镓；硅光子，用光来代替电子来传送信息；自旋电子；另外还有一些更科幻的可能，比如DNA计算和量子计算。