電子業的新希望──奈米碳管

電子業的新希望──奈米碳管

編譯/黃柏瑋

什麼是奈米碳管

半導體時而像導體允許電流通過,時而像絕緣體無動於衷,正好與電腦二元運算中的1與0相互對應,而成為電腦晶片的絕佳材料。目前,以矽製成的電晶體為主流,但已進入發展停滯期,無論是尺寸或效能都難再有進步空間。

於是,大家將目光轉向組成元素較小的奈米碳管(carbon nanotube)。奈米碳管的組成元件──石墨烯(graphene),是一片片僅有單個碳原子厚度的平面薄膜。理論上所製成的處理器,運算速度較矽元素製成者快上三倍,卻僅需花費三分之一的能量,因而能承擔更複雜也更龐大的任務,發展出更強大的電腦。

從奈米碳管到晶片

然而奈米碳管要能取代矽成為主流,尚須克服兩個困難。一是當奈米碳管被放上晶圓時,往往會群聚成束,而這會導致電晶體無法正常運作。「就像嘗試以磚頭蓋露臺,卻有一塊巨石卡在中間。」MIT電子工程學教授Max Shulaker如此比喻。Shulaker團隊的做法是在奈米碳管平鋪於晶片上後,小心翼翼地以震動去除多餘的部分。

二則是在製備的最終產物中,約有0.01%的奈米碳管會呈現金屬性質,而失去原先我們欲利用的半導體特性,影響信號的讀取。關於這點,Shulaker的團隊發現:只要避開特定的電晶體配置,並且謹慎地設計電路,便能大幅降低金屬奈米碳管的影響。

目前,奈米碳管製的電晶體大約一微米寬,而矽製卻只有數十奈米;此外,前者就當今的設計每秒只能開關一百萬次,而後者已可達到數十億次。以Shulaker團隊最終製作出的16位元晶片樣本而言,其上逾14,000個奈米碳管製電晶體大約只有矽電晶體在1980年代的水準而已。

話雖如此,奈米碳管的前瞻性還是不容小覷。奈米碳管輕薄、堅韌、具導電性的特性,能取代石墨或石墨烯,提升鋰離子電池的蓄電量,或應用於生醫裝置常使用的太陽能電池中,在電子工程以外的領域也是一片錦繡。

 

編譯來源

M. Temming, “A chip made with carbon nanotubes, not silicon, marks a computing milestone”, ScienceNews, 2019.

參考資料

J. Wenz, “Why This New 16-Bit Carbon Nanotube Processor Is Such a Big Deal”, Popular Mechanics, 2019.

(本文由教育部補助「AI報報─AI科普推廣計畫」執行團隊編譯)

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