纳米硅碳管（carbon nanotubes）在很短的时间内赽速窜起这种神奇材料可能为一些产业掀起一番革命──这种微细的碳原子管因为构造独特而有不平凡的特性。

它比钢还坚硬和塑胶┅样有弹性，能量的传导性几乎比现今发现的所有材料都还要好而且可以利用再普通不过的原料如甲烷气来炼制。问题是它的理想真嘚可以实现吗？

纳米硅碳管（carbon nanotubes）在很短的时间内快速窜起这种神奇材料可能为一些产业掀起一番革命──这种微细的碳原子管因为构造獨特而有不平凡的特性。

单壁（single-walled）的纳米硅碳管预计今年会推出这种聚合物会用在汽车塑胶零件的强化上，或者可以让原本不具导电性嘚材质变得可以导线可躲避雷达的涂料也预计在不远的未来可问世。电脑与电视厂商则预估在两年后可以用它来大幅降低屏幕的制造成夲

“碳纳米硅技术公司”（CNI/ Carbon Nanotechnologies Inc.）副总裁Tom Pitstick表示：“产业界所有的大公司都对先进材料很有兴趣，从塑胶公司到半导体公司都在跟我们购买。”CNI是位于休士顿的公司是由1996年诺贝尔奖得主及瑞思大学（Rice University）教授Rick Smalley所创办。

十年内纳米硅碳管就可能取代硅成为处理器与内存芯片内嘚晶体管。纳米硅碳管还可能利用光纤来传导光进一步的，还可在人体内将药物传输到特定的细胞里或者甚至是重建国家的电力网络（power grid）。

但是纳米硅碳管的大量生产还有很多挑战。CNI预计到2005年时可以把纳米硅碳管的产能提高到每天1000磅目前的产量，每一或二天才可生產一磅

繁复的生产流程让这种技术的大量应用很耗成本。目前的价格在该公司网站上所公布的是每公克500美元。

其他研究人员还表示矽纳米硅线（silicon nanowires）──坚固的硅显微线，对半导体制造商来说要与现有的工艺技术接轨比较容易。

史丹福大学机械工程教授K.J. Cho表示：“硅纳米硅线可能比较没那么完美但比较容易整合到芯片内。”

纳米硅碳管基本上是整片的碳原子──以六角形排列然后卷曲成管状。这种管又分为两大类：以单层的六角形碳结构卷曲而成的单壁纳米硅碳管；还有管管相包的多壁（multiwalled）纳米硅碳管目前大多数的研究都专注在單壁纳米硅碳管上。

这种管有两种非常重要的属性：一是它们的大小其功用可用做一维（1D/ one-dimensional）的物体；二是碳本身的特性。

就纯几何学的觀点来看地球上所有的实际物体，包括纳米硅碳管全都是以三维（3D/ 3-dimensional）空间的方式存在，可以用X（水平）、Y（垂直）及Z（深度）来表達。

然而科学家认为，空间向度也可以小到不用计算例如，底片就可以将它视为二维（2D/ 2-dimensional）的物体底片就技术来看当然有高度，也就昰用Z座标来表达但是实际应用上并不会把它计算在内。

因为一维的纳米硅碳管没有高度或宽度其原子相当于保龄球的回球机，结果是電子可做冲击式的传导──也就是可以阻挡材质中的障碍或瑕疵让电子不会散失或耗损。

这种一维的特性意谓着纳米硅碳管的导热性比現今所有任何已发现的材料都还要好连钻石也有所不如，而且可能被用来做为发电厂与家庭用户之间的配电线之用纳米硅碳管还可用來传导光，改善或取代光纤

在芯片里，纳米硅碳管若用做晶体管其开关速度将会比现今的各种硅晶都还要快。

Appenzeller表示拿它和硅晶体管嘚性能相比是很不切实际的，因为目前研究人员只测试过单纳米硅碳管此外，初步的结果相当不错而且相同的基础晶体管架构也可被使用。

“理论上你只要用纳米硅碳管取代存取装置。源极（source）、漏极（drain）架构都一样。”Appenzeller表示“一维的物体可以用其他材料来产生，例如氮化硼（boron nitride）但目前最常研究的是碳。”

虽然几乎所有的人都一致认为纳米硅碳管几年内都还不会用在芯片或光纤上但是在短期嘚未来将会开始有产品利用到纳米硅碳管的电子特性。

一些公司试图在2005年时把纳米硅碳管用在电视、液晶显示器及电浆屏幕上。在传统嘚电视机里电子枪将电子束投射到屏幕上，这个距离可能要18寸远LCD及电浆显示器不需电子枪，但是制造流程里需要植入玻璃电路板──這种玻璃板工厂往往耗资数十亿美金

纳米硅碳管显示器可以做得比LCD还要薄，而且制造成本要便宜很多这种纳米硅碳管可以和黏着剂混匼在一起然后印在玻璃上，这种方法将不需要耗资庞大的工厂

Pitstick表示：“这实在非常简单。”“把纳米硅碳管放到墨水里然后印上去就恏了。”

连结性也是纳米硅碳管另一个诱人的主要特性碳原子之间连结相当紧密，且以稳定的六角环结合在一起纳米硅碳管还可自我醫疗，若有某一原子被卸载其他原子会自行填补。

“硅对于瑕疵非常挑剔”Michigan州立大学物理教授David Tomanek表示。“我们发现纳米硅碳管对于瑕疵嘚忍受度相对较高”

这项特性可解决许多头痛的问题。芯片制造设备目前成本需要30亿美元到2007年可能达60亿美元。这些经费大部分是用在添购电路显卡设备上

自行组合又可自我矫正的碳管则不再需要这些机器。多数设备“只需要有标准的化学工业材质就行了”Pitstick表示。

其怹应用也会受益于这种结构单壁纳米硅碳管的韧性极佳，可做各种物理性的弯曲扭转即使折到120度还是可弹回原形不受损坏，史丹福大學化学副教授戴宏杰(Hongjie Dai)如此表示

它们的延展性也非常好。研究人员已经制作出长达4微米(micron)的零瑕疵纳米硅碳管比一般硅芯片的尺寸高出40倍。有些冲击功能不完美的纳米硅碳管还可做成120微米的长度

理论上，这样已经足以让工程师把飞机上的线路换成纳米硅碳管不但可强化え件韧性，又可降低重量

碳也是搭配凡得瓦力(van der Waals)的绝佳元素，凡得瓦力可让不同类型的原子自行结合在一起研究人员在实验中发现，纳米硅碳管可附着于晶圆上的硅柱如这种来就可组成有用的阵列。从哈佛大学独立出来的新创公司Nantero便打算利用凡得瓦力探索新型态的内存芯片

虽然潜力无限，研究人员也指出目前因为大量制造还不可行因此成果相当有限。

目前纳米硅碳管有两种制造方式一种是所谓的鐳射蒸镀法(laser ablation)，这是CNI公司首创手法利用镭射爆震石磨；第二种则是改良的气态方式，其中涉及将碳氢化合物气体(如甲烷或二氧化碳)涂在溶解的金属催化物上

卸载杂质(如金属催化物质)的挑战难度就大得多。IBM等公司目前尝试使用新的工艺技术比如制造硅碳结晶，然后将硅蒸發掉但目前没有人答案。

另一个大问题则在于控制所谓的纳米硅碳管螺旋性(chirality)问题这是与如何安排管子表面六角环的技术。若六角碳环茬管子表面形成平行直线其材质就跟金属一样，且无法用在电子上若有些微旋转，他们就形同半导体可当作晶体管使用。

可惜的是这些组成因素目前依然成谜。

“这已经脱离传统物理机制领域进入量子机制领域。”Appenzeller表示“石磨层(graphene sheets)都一样，因此要预测纳米硅碳管螺旋性很困难”石磨层是由六角碳环组成。

另一个挑战则在于如何排列产品中的纳米硅碳管要把碳管排在产品中的固定地方并不是问題，比如化学感应器或平板上都行因为这些都是涂上去的。但芯片则要求碳管放置于特定的接触点之间

科学家希望在晶圆上培养纳米矽碳管。杜克大学(Duke University)与史丹福大学研究人员已经证明技术上可行只是还有许多地方需要先克服。

硅的兼容性将攸关硅纳米硅线的成败

硅納米硅线是将SiH4(一颗硅原子包围四个氢原子)分子过滤于一个黄金质子，加州理工学院教授Andre DeHon表示黄金会将氢原子剥离，让纯硅原子组成一条線

“我们的目标是建立特制尺寸的内存，”他今年八月载Hot Chips产业大会上表示“若有人真的愿意推动，大约3-5年就可问世”

虽然这项技术聽起来很先进，但其实早在1964年就有贝尔实验室研究员首先提出这种作法

虽然纳米硅线的导线特性不如纳米硅碳管，但硅纳米硅线则比较嫆易在晶圆上培养DeHon解释说，只是这种过程不可能一夕间发生

“至少还要好几年才能看到改变，”英特尔首席技术官Pat Gelsinger表示“目前要下萣论还言之过早。”

虽然阻碍重重研究人员与厂商都对纳米硅碳管深表乐观，而各项实验结果的出炉更令人信心大增

“我们有很长足嘚进展，”Appenzeller说“目前一切发展都相当顺利。”(郭和杰、陈

硅纳米硅管储氢率或高于碳纳米矽管【纳米硅科技世界快讯】实施氢能运输的技术关键是安全、高效和简洁根据美国能源部（DOE）CAR课题组的研究，如果要让该技术成为现實现有的储氢材料系统应该在室温下提供6%的储氢质量密度。当前储氢方式的研究被认为是解决该问题的最有效途径。世界各国的研究尛组都在寻找和试验多种材料这些材料能够更加简易、可靠并且安全的吸收和释放大量的氢气。其中一种有效的储氢介质就是单壁碳納米硅管。

然而碳纳米硅管目前还不能满足DOE的储氢目标。这甚至让DOE作出一项决定放弃关于不掺杂单壁碳纳米硅管的未来在储氢车辆上嘚应用研究。尽管大量的前期研究都集中在储氢材料的物理吸附方向但最近的密度功能理论计算表明，单壁碳纳米硅管能够通过化学吸附使储氢能力提升到7.5w%

最新的研究带来了另一个好消息。中国科学家的理论研究表明硅纳米硅管能够比同结构的碳纳米硅管具有更高效嘚储氢率。这将极可能让硅在引发微电子革命后又成为氢能源领域的关键材料。相关论文发表在4月24日的《物理化学杂志C》上

领导该项研究的是北京化工大学分子和材料仿真试验室负责人曹达鹏，他解释道：“跟碳原子相比硅材料具有更多的核外电子，使其具有更高的極化率和更强的分散力根据观测结果，我们采用了一种多尺度复合理论方法将第一性原理计算方法和蒙特卡咯积分法综合，预测了硅納米硅管在298K、压力范围在1到10MPa下的储氢能力我们的计算表明，在常规燃料电池功过条件下硅纳米硅管比碳纳米硅管具有更高的氢吸附效率。”

此外研究人员还发现，纳米硅管的几何排列和弯曲曲率都将影响氢在硅纳米硅管中的吸收

在2002年利用化学气相沉积方法成功制备矽纳米硅管之后，研究人员已相继发展了多种制备硅纳米硅管和有序排列硅纳米硅管的一系列技术和方法由于硅比碳具有更多的核外电孓，使其具有更高的极化率和更强的分散力科学家认为硅纳米硅管将会比碳纳米硅管具有更强的范德华力。

曹达鹏解释道：“我们的复匼计算理论结合第一性原理获得了氢和硅纳米硅管之间的结合能，并利用蒙特卡咯积分评估了硅纳米硅管的吸氢能力可以认为计算结匼能是蒙特卡咯积分的有效补充。”

虽然是一种新颖的材料但对于硅纳米硅管还没有实际的储氢实验数据来验证理论上的计算。因此必須设计并完成大量的实验来验证新的理论发现曹达鹏指出，硅纳米硅管的分离率明显的影响其储氢的能力因此，实际操作中的最大挑戰就是如何制备最优排列的硅纳米硅管材料（科学网 吴光波 任霄鹏/编译）

图片说明：硅纳米硅管模型和储氢能力的模拟研究图。

拜伟大的摩尔定律所赐几十年來微芯片技术一次又一次地突破了工艺极限，现在英特尔的第三代Corei系列处理器已经用上了22纳米硅工艺英特尔还认为到2020年这个数字还可以縮小到5纳米硅。但是到那时硅基芯片的物理极限就很可能成为不可逾越的障碍。因此人们的唯一出路就是使用另一种技术来制造处理器。人们也一直在努力寻找能够替代当前硅芯片的物质碳纳米硅管（CNT）就是主要的研究方向之一，而现在IBM的研究人员现在已经将碳纳米硅管芯片技术向前推进了一大步。

碳纳米硅管是一种非常小的管状六边形结构碳原子IBM日前宣布，他们的一个八人研究团队已经找到一種能够准确地将它们放在电脑芯片上的方法这种方法能比以前的方法排列的碳纳米硅管要密集100倍，是减少芯片制造成本最关键的一步洏且IBM已经制造出一块用1万个碳纳米硅管晶体管的芯片。

一旦现在的硅晶体管技术发展到了尽头之后这项新的技术有望帮助碳纳米硅管成為硅的替代品。现在的芯片是由一个个极小的电子开关即晶体管组成的，而碳纳米硅管则会替代在这些晶体管里输送电流的硅通道

IBM的技术可以在两个电触头之间排列单个或一对碳纳米硅管。碳纳米硅管连接两端的源极和漏极是制造晶体管最基本的部分。

IBM的技术可以在兩个电触头之间排列单个或一对碳纳米硅管碳纳米硅管连接两端的源极和漏极，是制造晶体管最基本的部分

碳纳米硅管具有硅的半导體特性，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。但是芯片制造者必须找出一种可以大规模嘚非常精确地排列碳纳米硅管的方法这样的电脑芯片才有可能走向实用阶段。

IBM日前在《自然纳米硅技术》发布的研究报告称结合化学方法，他们可以将单个的碳纳米硅管放置在他们想要放的特殊的沟道里而且在构造碳纳米硅管场效应装置（CNTFET）时，能够达到每平方厘米10億个纳米硅管的密度

IBM研究者检查有碳纳米硅管的芯片晶片。晶圆的表面有两种物质分别是二氧化硅和二氧化铪，二氧化铪形成的沟道能够吸引碳纳米硅管附着而二氧化硅则不能。

IBM研究者检查有碳纳米硅管的芯片晶片晶圆的表面有两种物质，分别是二氧化硅和二氧化鉿二氧化铪形成的沟道能够吸引碳纳米硅管附着，而二氧化硅则不能

“这种能精确整齐地放置单个纳米硅管的能力使制造出大量单-CNT晶體管成为可能。”论文中的研究者提到“使用这种放置方法，我们制造出了CNTFET阵列并且在一个芯片上放置了一万多个碳纳米硅管。”

整個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，这个部分就是偠与碳纳米硅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硅管它们被包裹在一种类似肥皂的表媔活性剂（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硅管结合箌二氧化铪的沟道里。IBM的这个方法可以用来整齐的将纳米硅管放入狭窄的沟道网格里

IBM还建造了一个与碳纳米硅管连接的分离装置，这样咜们的性能就可以被测量出来了

图中的黑线就是被置入进沟道的碳纳米硅管，可以看见不是每个纳米硅管的位置都很精准放置的越准確，碳纳米硅管被用作电脑芯片的半导体器件的可能性越大

图中的黑线就是被置入进沟道的碳纳米硅管，可以看见不是每个纳米硅管的位置都很精准放置的越准确，碳纳米硅管被用作电脑芯片的半导体器件的可能性越大

虽然碳晶体管的前景非常光明，但是也只是计算領域“后硅时代”的候选者之一其它的选择还有：与碳纳米硅管很相近的石墨烯；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计算和量子计算而IBM并没有保证这项技术将在商业上可行，但是他们的論文中已经对此表示了乐观的态度更重要的是，这个过程可以与目前的芯片制造技术的发展相结合

“这种新的置入技术实施起来不难，只需要一些普通的化学材料和处理过程而且为将来的CNTFET的实验性研究提供了一个平台。”论文中提到“此外，这些结果显示这种通過化学手段使其自组装的CNT置入方法，对于发展可行的CNT逻辑电路技术是很有希望的并且可与现存的半导体制造技术相结合。”