洛斯阿拉莫斯国家实验室的研究人员和他们来自加州大学欧文分校的合作者，用量子点这种微小的结构创造了基本的电子积木，并用它们来组装功能逻辑电路。这项创新有望为复杂的电子设备提供一种更便宜、更易于制造的方法，这些设备可以通过简单的、基于溶液的技术在化学实验室中制造出来，并为许多创新的设备提供组件。

洛斯阿拉莫斯研究半导体纳米晶体的物理学家维克托·克里莫夫说：“基于无毒量子点的电子设备新方法的潜在应用包括可打印电路、柔性显示器、芯片实验室诊断、可穿戴设备、医疗测试、智能植入物和生物识别技术。”在10月19日出版的《自然通讯》上公布了这一新结果。

几十年来，微电子技术一直依赖于在特别创造的洁净室环境中加工的超高纯度硅。最近，硅基微电子技术受到了一些替代技术的挑战，这些技术允许在洁净室外，通过廉价、容易获得的化学技术来制造复杂的电子电路。用化学方法在不太严格的环境中制备的胶体半导体纳米粒子就是这样一种新兴技术。由于它们的尺寸小，并且具有直接由量子力学控制的特性，这些粒子被称为量子点。

胶体量子点是由覆盖着有机分子的半导体核心构成的。由于这种混合性质，它们结合了人们熟知的传统半导体的优点和分子系统的化学多功能性。这些特性对于实现新型柔性电子电路非常有吸引力，这种电路可以印刷在几乎任何表面上，包括塑料、纸张，甚至人类皮肤。这项功能可以使许多领域受益，包括消费电子产品、安全、数字标牌和医疗诊断。

电子电路的一个关键元件是晶体管，它充当由外加电压激活的电流开关。通常晶体管是成对的n型和p型器件，分别控制正负电荷的流动。这种互补晶体管对是现代CMOS（互补金属氧化物半导体）技术的基石，它使微处理器、存储芯片、图像传感器和其他电子设备成为可能。

最早的量子点晶体管在大约20年前就被展示出来了。然而，在同一量子点层内集成互补的n型和p型器件仍然是一个长期存在的挑战。此外，这一领域的大部分工作都集中在以铅和镉为基础的纳米晶体上。这些元素是剧毒的重金属，这极大地限制了演示设备的实际应用。

洛斯阿拉莫斯研究人员和他们的合作者来自加利福尼亚大学，欧文已经证明，通过使用不含重金属的硒化铜铟（CuInSe2）量子点，它们能够解决毒性问题，同时在同一量子点层实现n和p晶体管的直接集成。为了证明所开发方法的实用性，他们创建了执行逻辑运算的功能电路。

克里莫夫和他的同事在他们的新论文中提出的创新方法，使他们能够通过应用两种不同类型的金属触点来定义p型和n型晶体管。他们通过在预加图案的触点上沉积一层普通的量子点层来完成这些设备。”这种方法允许将任意数量的互补p型和n型晶体管直接集成到同一量子点层中，通过标准自旋涂层制备成连续的、无图案的薄膜，”Klimov说。

参考文献：Hyeong Jin Yun et al, Solution-processable integrated CMOS circuits based on colloidal CuInSe2 quantum dots, Nature Communications (2020). DOI: 10.1038/s41467-020-18932-5。