集成電路 (IC) 是計算機、平板電腦、智能手機和其他改善我們日常生活的技術的基礎。大約 60 年來，這些電路一直由硅制成，并通過縮小構成這些電路的晶體管來實現持續的性能改進。

然而，晶體管正變得像單個分子一樣小，而硅在這種尺寸下已達到其自然性能極限，迫使科學家探索替代材料。

碳納米管具有高穩定性和卓越的電子特性，已成為替代晶體管中硅的主要候選材料。在11 月 17 日發表于《科學》雜志的一篇評論文章中，西北大學的Mark Hersam及其合作者概述了碳納米管在高性能 IC 以及適用于物聯網的低成本/低性能電子產品中的機遇和剩余挑戰，以及為什么現在是時候加倍投入這項有前途的技術了。

Hersam 是 Mc Cormick 工程學院的 Walter P. Murphy 材料科學與工程教授，以及（禮貌地）電氣和計算機工程與化學教授，以及西北大學材料研究科學與工程中心主任。他的合作者是杜克大學的 Aaron D. Franklin 和斯坦福大學的 Philip Wong。

IBM 于 1998 年推出的碳納米管 (CNT) 與現有的硅相比是一種相對較新的電子材料。經過近四分之一個世紀的基礎研究和開發，CNT 現在即將突破并廣泛應用，并且已經應用于由 10,000 個器件組成的大規模電路中。正如 Hersam 和他的隊友所寫，CNT 有幾個突出的優勢，包括化學穩定性、可擴展到分子尺度的尺寸，以及極好的電和熱性能。

然而，研究人員寫道，為了最大限度地發揮 CNT 的潛力，材料科學家仍需克服一些障礙。一個挑戰是純化碳納米管，它可以是金屬或半導體。此外，CNT 的手性矢量對電子能帶結構施加了明確定義的量子力學邊界條件，這意味著對于隨機管閉合，大約 33% 的 CNT 手性是金屬性的，大約 67% 是半導體性的。由于晶體管需要半導體通道，最好具有定義明確且均勻的帶隙，因此通過原子級精確的手性矢量控制可擴展地合成和隔離它們的能力對于實現高性能碳納米管晶體管 IC 至關重要。

組作者說，有助于采用 CNT 的一個因素是材料技術的預期進步。其一，必須提高 CNT 的純度，克服缺乏檢測超低濃度金屬 CNT 的高通量分析方法的問題。在尋找一種可擴展的制造方法來生產足夠的超高純度半導體 CNT 以滿足不僅以高性能 IC 為代表而且以大批量印刷電子產品為代表的潛在大市場方面也必須取得進展。

“最終，生長條件包含如此巨大的參數空間，因此需要有效搜索和識別最佳生長條件的方法，”作者寫道。“新興的人工智能和機器學習 (ML) 優化方法與高通量實驗篩選相結合，為下一代合成工作帶來了希望。同樣，CNT 晶體管中許多其他材料（包括摻雜劑、觸點、柵電極和電介質）的發現、優化和集成也可能通過 ML 結合高通量實驗篩選來加速。”

赫薩姆和他的合作者寫道，這些努力是值得的。

“在具有 3D 集成潛力的高性能數字邏輯的機會與印刷甚至可回收薄膜電子產品的可能性之間，CNT 晶體管需要學術界、政府和行業貢獻者重新甚至加倍努力，”作者們寫了。“這些分子晶體管技術觸手可及，但前提是科學和工程界能夠克服剩余的挑戰。”

審核編輯 ：李倩