终结摩尔定律的材料
来源 : 公开网络
作者 : 公开网络
时间 : 2021-01-12


塑库网--消息,摩尔定律面临终结。
 
如果把芯片比作一栋房子,晶体管就是建房的“砖瓦”。多年来,晶体管一直以硅为材料,由此制成的硅基芯片技术更新遵循摩尔定律,半导体产业专注于用不断缩小晶体管尺寸的办法提升芯片性能。
 
很多人认为微电子工业在走到7纳米技术节点之后可能面临不得不放弃继续使用硅材料作为晶体管导电沟通,随之出现了光子、量子、类脑计算等技术。
 
2005年,国际半导体技术路线图委员会首次明确地指出,在2020年前后硅基的CMOS技术将达到性能极限,这意味着后摩尔时代的集成电路技术的研究变得日趋紧迫了。
 
为此,科学家一直试图寻找能够替代硅的芯片材料,发展下一代晶体管集成电路,一个备受瞩目的候选者,就是碳纳米管。
 
在2011年12月中旬的IEE电子设备会议上,IBM的科学家向全世界展示了全球第一个小于10纳米的晶体管,并在随后的2012年1月公布了具体尺寸——9纳米。



2017年,彭练矛团队开创集成电路无掺杂制备新技术,首次制备出栅长仅5纳米的碳纳米管CMOS(互补金属氧化物半导体)器件——这是当时世界最小的高性能晶体管,综合性能10倍领先于同时期性能最优的硅基晶体管;其工作速度3倍于英特尔最先进的14纳米商用硅材料晶体管,能耗只有硅晶体管四分之一。



碳纳米管不光在未来的芯片中有用武之地,而且还是世界上强度最强的材料!
 
碳纳米管抗拉强度达到50~200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6,至少比常规石墨纤维高一个数量级;它的弹性模量可达1TPa,与金刚石的弹性模量相当,约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管,其抗拉强度约800GPa。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似,但其结构却比高分子材料稳定得多。

碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。若将以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性,给复合材料的性能带来极大的改善。
 
碳纳米管的硬度与金刚石相当,却拥有良好的柔韧性,可以拉伸。在工业上常用的增强型纤维中,决定强度的一个关键因素是长径比,即长度和直径之比。材料工程师希望得到的长径比至少是20:1,而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上,是理想的高强度纤维材料。2000年10月,美国宾州州立大学的研究人员称,碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍,重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。
 
莫斯科大学的研究人员曾将碳纳米管置于1011 MPa的水压下(相当于水下10000米深的压强),由于巨大的压力,碳纳米管被压扁。撤去压力后,碳纳米管像弹簧一样立即恢复了形状,表现出良好的韧性。这启示人们可以利用碳纳米管制造轻薄的弹簧,用在汽车、火车上作为减震装置,能够大大减轻重量。
 
此外,碳纳米管的熔点是已知材料中最高的。
 
常用的碳纳米管制备方法主要有:电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法(碳氢气体热解法)、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。

电弧放电法

电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是:将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中,在两极之间激发出电弧,此时温度可以达到4000度左右。

在这种条件下,石墨会蒸发,生成的产物有富勒烯(C60)、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量,可以调节几种产物的相对产量。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单,但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起,很难得到纯度较高的碳纳米管,并且得到的往往都是多层碳纳米管,而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外该方法反应消耗能量太大。有些研究人员发现,如果采用熔融的氯化锂作为阳极,可以有效地降低反应中消耗的能量,产物纯化也比较容易。

图1 电弧反应器示意图

化学气相沉积法

或称为碳氢气体热解法,在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷。这种方法是让气态烃通过附着有催化剂微粒的模板,在800~1200度的条件下,气态烃可以分解生成碳纳米管。这种方法突出的优点是残余反应物为气体,可以离开反应体系,得到纯度比较高的碳纳米管,同时温度亦不需要很高,相对而言节省了能量。但是制得的碳纳米管管径不整齐,形状不规则,并且在制备过程中必须要用到催化剂。这种方法的主要研究方向是希望通过控制模板上催化剂的排列方式来控制生成的碳纳米管的结构,已经取得了一定进展。

激光蒸发法

激光蒸发法的具体过程是:在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶,该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时,将惰性气体冲入管内,并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳,这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时,在催化剂的作用下生长成碳纳米管。

图2激光蒸发法示意图

固相热解法

除此之外还有固相热解法等方法。固相热解法是令常规含碳亚稳固体在高温下热解生长碳纳米管的新方法,这种方法过程比较稳定,不需要催化剂,并且是原位生长。但受到原料的限制,生产不能规模化和连续化。

聚合反应合成

在碳纳米管制备方法中,聚合反应合成法一般指利用模板复制扩增的方法。碳纳米管的一般制备过程与有机合成反映类似,其副反应复杂多样,很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅式纳米管或锯齿形纳米管。科学家发现,在强酸、超声波作用下,碳纳米管可以先断裂为几段,再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸,而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。

于是科学家设想,如果通过这种类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖,那么只需找到少量的扶手椅式纳米管或锯齿形纳米管,便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。

离子或激光溅射法

另外还有离子或激光溅射法。此方法虽易于连续生产,但由于设备的原因限制了它的规模。

各种合成方法各有特点,电弧法得到的碳纳米管形直壁薄,长度较短,但电弧反应难于控制,不利于工业化规模生产。激光烧蚀法得到的碳纳米管杂质较少,易于提纯,但需要复杂昂贵的设备,能耗大、产量小,限制了它的广泛应用。CCVD设备简单,可控工艺参数少,相对能耗小,可大规模生产,但制出的碳纳米管相互缠绕缺陷较多。模板定向生长制出的碳纳米管质量相对上乘,但制作工艺复杂。产量极其有限,难于满足需求。因此碳纳米管合成所面临的急待解决的问题仍不容忽视。

催化裂解法

催化裂解法是在600~1000℃的温度及催化剂的作用下,使含碳气体原料(如一氧化碳、甲烷、乙烯、丙烯和苯等)分解来制备碳纳米管的一种方法。此方法在较高温度下使含碳化合物裂解为碳原子,碳原子在过渡金属-催化剂作用下,附着在催化剂微粒表面上形成为碳纳米管。

催化裂解法中所使用的催化剂活性组分多为第八族过渡金属或其合金,少量加入Cu、Zn、Mg等可调节活性金属能量状态,改变其化学吸附与分解含碳气体的能力。催化剂前体对形成金属单质的活性有影响,金属氧化物、硫化物、碳化物及有机金属化合物也被使用过。

图3催化裂解法示意图

烯湾科技的生产方法与众不同,它叫原位控制技术,碳纳米管可以在催化剂上自行生产,而且长度一致。

 
碳纳米管作为一种潜力巨大的超级材料,是未来超强材料和碳基半导体的核心,在航空航天、超级建筑、透明显示器、高性能芯片、新型贮氢材料、催化剂载体和电极材料等领域,有着广泛的应用前景,其中它在航空航天、电子和复合材料方面的应用是最具有潜力的。
 

 在复合材料中的应用 

由于碳纳米管的纳米级尺寸,中空管状和极高的杨氏模量,它被认为是晶须类强化相的终极形式。利用碳纳米管的性质可以制作出很多性能优异的复合材料。
 
例如,碳纳米管材料增强的塑料力学性能优良、导电性好、耐腐蚀、屏蔽无线电波。使用水泥做基体的碳纳米管复合材料耐冲击性好、防静电、耐磨损、稳定性高,不易对环境造成影响。碳纳米管增强陶瓷复合材料强度高,抗冲击性能好。
 

 碳纳米管做导电剂 

碳纳米管优良的导电性和较大的长径决定了其很适合用作锂离子电极材料导电剂。由于碳纳米管一方面有良好的导电性能,另一方面在结构上属于纳米级一维材料,长径比一般都在103以上,相互之间更容易搭接、形成导电网络。有望在较低的添加量下得到性能良好的电极。用碳纳米管作为导电剂,其效果明显优于炭黑。



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