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近日，美國威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的材料學(xué)家成功研制了1英寸大小碳納米晶體管，這種晶體管首次在性能上同時(shí)超越了硅晶體管和砷化鎵晶體管。一時(shí)間，材料界炸開(kāi)了鍋，“石墨烯和碳納米管誰(shuí)會(huì )成為下一代半導體材料？”這一問(wèn)題再次被激烈談?wù)摗?/P>

摩爾定律的終結，這無(wú)疑是半導體圈最棘手的事。雖然新的國際半導體技術(shù)路線(xiàn)圖不再以摩爾定律為目標，并且可能會(huì )“超越摩爾”，但研究人員還是各自尋找硅材料的替代者來(lái)提升半導體的性能。

一直以來(lái)，碳納米管都被認為是最有可能取代硅的材料之一，這源于它很多優(yōu)于硅的天然屬性。比如電子可以比硅晶體管更輕松地轉移，實(shí)現更快速的數據傳輸；具備很好的強度和柔性，可以用來(lái)制造柔性顯示器和電子設備，經(jīng)得起拉伸與彎曲......但是，這一切的基礎都是建立在高性能碳納米晶體管上。

然而，制造高性能的碳納米管晶體管卻一直面臨著(zhù)兩大技術(shù)難題：

一是要達到極高的純度，因為碳納米管中的金屬雜質(zhì)會(huì )像銅線(xiàn)一樣導致設備短路，只有高純度才能獲得高效率。

在碳納米管制備過(guò)程的最后階段，半導體型碳納米管會(huì )和金屬型你中有我，我中有你一般地混在一起。雖然這兩種碳納米管都十分有價(jià)值，但是必須分開(kāi)使用，因為只有純的碳納米管（半導體型或者金屬型）才能在器件層面得到應用，所以有效的分離技術(shù)也就成了碳納米管走向應用的一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

二是精度極高的陣列控制，要將數量眾多的碳納米管塞進(jìn)指甲蓋大小的芯片就必須精確地控制好各個(gè)碳納米管之間的距離。

在這次研究中，威斯康星大學(xué)麥迪遜分校的研究人員幾乎都輕松解決了這些問(wèn)題，讓碳納米管晶體管技術(shù)得到了飛躍式的發(fā)展。

從理論上講，未來(lái)碳納米晶體管的性能可以比硅高5倍，換言之，如果用在設備中，它的能耗比硅晶體管低5倍。一旦技術(shù)真正投入使用，就可以開(kāi)發(fā)出更強大的處理器、讓無(wú)線(xiàn)通信速度更快、提高便攜設備的續航能力。

這樣看來(lái)，碳納米管成為下一代半導體材料看起來(lái)是板上釘釘的事情，然而，石墨烯的橫空出世，讓下一代半導體材料似乎又有了懸念。

石墨烯，被公認為21世紀的“未來(lái)材料”和“革命性材料”。

自從2003年被發(fā)現以來(lái)，研究者發(fā)現它具有優(yōu)異的強度、導熱性和導電性。最后一種性質(zhì)使得這種材料非常適合用來(lái)制作電路中的微小接觸點(diǎn)，但最理想是用石墨烯自己制成電子元件——特別是晶體管。

作為半導體，要求材料擁有電子能帶隙。常規的石墨烯是沒(méi)有帶隙的——它特殊的波紋狀價(jià)帶和導帶實(shí)際上是連在一起的，這使得它更像是金屬。然而，只有一個(gè)原子厚的石墨烯可與其他元素摻雜或復合，從而具有半導體特性。盡管如此，科學(xué)家們仍然試圖分開(kāi)價(jià)帶與導帶這兩個(gè)帶。通過(guò)把石墨烯制造成奇特的形狀，如帶狀，目前最高可以讓帶隙達到100meV。

除此之外，石墨烯的電阻率低，比銅和銀還低，并且它的電子遷移率很高，用它做晶體管材料，可以大大提升處理器的時(shí)鐘主頻。

然而，這些似乎都不足以支撐石墨烯成為下一個(gè)半導體材料的理由。

石墨烯在半導體方面火起來(lái)的原因，是因為集成電路想不斷的減小，硅芯片做到現在十幾個(gè)納米的溝道已經(jīng)是極限，再想減小大家就從納米材料上下功夫。石墨烯作為最薄最強韌的材料，加上它又是一個(gè)二維結構，做成一個(gè)個(gè)晶體管后就能組成小規模的集成電路。

總的來(lái)說(shuō)，在半導體產(chǎn)業(yè)方面，小編更看好石墨烯的發(fā)展。碳納米管雖然在目前的研究中取得了相應成績(jì)，但長(cháng)遠來(lái)看，石墨烯的廣泛應用及獨特的二維結構，似乎在成為“下一代半導體材料”上更具優(yōu)勢。