研究人员采用新开发的封装层制备由单壁碳纳米管构成的、具有空气稳定性、晶圆级的集成电路。

由碳纳米管制成的单个晶体管比其他材料的晶体管速度更快，且更高效。然而，从单晶体管到布满晶体管的集成电路，这是一个巨大的飞跃。

“一个微处理器需要有十亿个晶体管。”西北大学工程学院Mark Hersam说，“所有的十亿个晶体管都要工作。不仅仅是要工作，而且还要持续有效工作几年甚至几十年。”

许多团队，包括Hersam团队都试图用一个个独立的纳米管基晶体管来制备晶圆级集成电路，遇到了种种挑战。比如说，制作过程极其昂贵，往往需要数十亿美元的清洁室，才能保持微妙的纳米元件不会受到空气、水以及灰尘等潜在破坏性因素的影响。研究人员还努力创造一个碳纳米管基集成电路，其中晶体管为空间均匀材料，这是整体系统能够工作的需要。

现在，西北大学Hersam及其团队已经找到了解决这些问题的关键。秘密在于新开发的封装层，可保护碳纳米管免受环境污染。

这项研究由美国海军研究办公室（Office of Naval Research）和美国国家科学基金会（National Science Foundation）支持，9月7日在线发表于《自然·纳米技术》（Nature Nanotechnology）上。作者包括西北大学艺术与科学Weinberg学院化学Vladimir N. Ipatieff研究教授、工程McCormick学院材料科学与工程教授Tobin J. Marks。而Hersam实验室研究生Michael Geier是该论文的第一作者。

“纳米材料，比如碳纳米管的现实之一就是基本上所有的原子都处在表面。”材料科学与工程Walter P. Murphy教授Hersam说，“因此，任何与这些材料表面接触的物质都会影响其性质。如果我们制出一系列晶体管，并将其暴露于空气、水和氧气中，这些物质就会粘在碳纳米管表面，随时间推移将影响碳纳米管的性质。我们认为添加一层保护性的封装层可能会阻止这个退化过程，从而使其具有更长的寿命。”

Hersam将他的方案与当前有机发光二极管（LEDs）的解决方法进行比较，他们第一次意识到这两者经历了类似的问题。很多人想当然的认为有机LEDs没有未来，因为其在空气中会降解。研究人员开发出适合这种材料的封装层之后，现在有机LEDs已经在许多商业领域得到应用，包括智能手机、汽车收音机、数码相机等的显示屏。Hersam的封装层基于相同的理念，但却是针对碳纳米管，由聚合物和无机氧化物构成。

为了证明这一概念，Hersam开发出了纳米管基静态随机存取储存器（SRAM）电路。SRAM是所有微处理器的关键组成部分，往往构成一台普通计算机中央处理器中多达85%的晶体管。为了制备封装的碳纳米管，研究小组首先从Hersam实验室之前开发的溶液中沉积碳纳米管，接着用封装层对这些管进行涂覆。

利用封装的碳纳米管，Hersam团队成功设计并制备了有效的SRAM电路阵列。封装层不仅仅保护了对环境敏感的器件，还改善了整个晶片中个晶体管间的空间均匀性。Hersam的集成电路表现出了长寿命，而同样方法沉积却未进行涂覆的晶体管往往在几个小时之内就退化了。

“我们制出这些器件之后，可以让其暴露于空气当中，而无需进一步的保护措施。”Hersam说，“我们不需要将其讲起放在真空室或可控的环境当中。其他研究人员已经制得了类似的器件，但必须立刻将其放到真空室或惰性气体环境中，以保持其稳定性。显然，这在现实中是无法使用的。”

Hersam认为这种溶液处理的、空气稳定的SRAM可用于多种新兴技术。柔性碳纳米管基晶体管有望取代刚性硅作为可穿戴电子产品。更廉价的制造方法打开了智能卡片的大门——信用卡中嵌入个人信息，以此来减少欺诈。

“如果能够采用极其低廉的制造成本，智能卡片是很现实的，因为我们的这种溶液处理的碳纳米管适合于可扩展的廉价印刷方法，我们的研究可以使智能卡片和相关印刷电子产品得以实现。”他如是说。

新材料在线编译整理——翻译：菠菜    校正：摩天轮