基于碳而非硅的晶体管有可能提高计算机的速度，并将其功耗降低一千多倍--想想看，一部手机可以保持几个月的电量--但直到现在，构建工作的碳电路所需的一套工具仍未完成。9月24日消息，加州大学伯克利分校的一个化学家和物理学家团队终于创造出了工具箱中的最后一个工具，一种完全由碳制成的金属线，为加紧研究制造碳基晶体管并最终制造计算机奠定了基础。

加州大学伯克利分校化学教授费利克斯-费舍尔说："停留在同一种材料，在碳基材料的领域内，是现在这项技术的关键所在。"他指出，用同一种材料制造所有电路元件的能力使制造更加容易。"这一直是全碳基集成电路架构大局中所缺少的关键东西之一。"

金属线--就像计算机芯片中用于连接晶体管的金属通道一样--将电力从设备带到设备之间，并将晶体管内的半导体元件互连起来，晶体管是计算机的构件。

加州大学伯克利分校的小组多年来一直在研究如何用石墨烯纳米带制造半导体和绝缘体，石墨烯纳米带是由原子厚度的石墨烯组成的一维窄条，这种结构完全由碳原子组成，以相互连接的六边形图案排列，类似于鸡丝。

新的碳基金属也是一种石墨烯纳米带，但设计时着眼于在全碳晶体管的半导体纳米带之间传导电子。费舍尔的同事、加州大学伯克利分校物理学教授迈克尔-克罗米说，金属纳米带是由更小的相同构件组装而成的：一种自下而上的方法。每个构件都贡献了一个电子，可以沿着纳米带自由流动。

虽然其他碳基材料--如扩展的二维石墨烯片和碳纳米管--可以是金属的，但它们也有自己的问题。例如，将二维石墨烯片材重塑成纳米级的条带，就会自发地将它们变成半导体，甚至是绝缘体。碳纳米管是优秀的导体，但无法像纳米带那样，以同样的精度和可重复性大量制备。

"纳米带可以让我们利用自下而上的制造方式，以化学方式获得广泛的结构，这是纳米管尚无法实现的，"克罗米说。"这使得我们基本上可以将电子缝合在一起，以创建金属纳米带，这是以前没有做过的事情。这是石墨烯纳米带技术领域的宏大挑战之一，也是我们对它如此兴奋的原因。"

金属石墨烯纳米带--它具有金属特有的宽阔的、部分填充的电子带--在电导率上应该与二维石墨烯本身相当。

"我们认为金属线确实是一个突破，这是我们第一次可以有意识地用碳基材料创造出一种超窄的金属导体--一种良好的、内在的导体，而不需要外部掺杂，"Fischer补充道。

Crommie、Fischer和他们在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的同事将在9月25日的《科学》杂志上发表他们的研究成果。

    调整拓扑结构  

根据摩尔定律，几十年来，硅基集成电路为计算机提供了越来越快的速度和性能，但它们正在达到其速度极限--即它们在0和1之间切换的速度。降低功耗也变得越来越难；计算机已经使用了世界能源生产的很大一部分。费舍尔说，碳基计算机有可能比硅基计算机的切换速度快很多倍，而耗电量却只有一小部分。

纯碳的石墨烯是这些下一代碳基计算机的主要竞争者。然而，狭长的石墨烯条带主要是半导体，一直以来的挑战是让它们也能作为绝缘体和金属--分别是完全不导电和完全导电的相反极端，从而完全用碳来构造晶体管和处理器。

几年前，费舍尔和克罗米与理论材料科学家、加州大学伯克利分校物理学教授史蒂文-路易（Steven Louie）合作，发现了连接小长度纳米带的新方法，以可靠地创造出全域的导电特性。

两年前，该团队证明，通过以正确的方式连接纳米带的短段，每个段中的电子可以被安排以创造一种新的拓扑状态--一种特殊的量子波函数--从而导致可调整的半导体特性。

在新的工作中，他们使用类似的技术将纳米带的短段拼接在一起，创造出一种长数十纳米、宽仅一纳米的导电金属线。

这些纳米带材是用化学方法创建的，并使用扫描隧道显微镜在非常平整的表面上成像。简单的加热被用来诱导分子发生化学反应，并以正确的方式连接在一起。费舍尔将菊花链积木的组装比作一套乐高积木，但乐高积木被设计成在原子尺度上进行拼装。

"它们都是经过精确设计的，所以只有一种方式可以合在一起。这就好比你拿一袋乐高积木，摇一摇，就会出来一辆完全组装好的汽车。"他说。"这就是用化学控制自组装的神奇之处。"

一旦组装完毕，新的纳米带的电子状态是一种金属--就像Louie预测的那样--每一段都贡献了一个导电电子。

最后的突破可以归功于纳米带状结构的微小变化。

"利用化学方法，我们创造了一个微小的变化，大约每100个原子中只有一个化学键的变化，但这使纳米带状物的金属性增加了20倍，从实用的角度来看，这是很重要的，使其成为一种良好的金属，"克罗米说。

两位研究人员正在与加州大学伯克利分校的电气工程师合作，将他们的工具箱中的半导体、绝缘和金属石墨烯纳米带组装成工作晶体管。

"我相信这项技术将彻底改变我们在未来构建集成电路的方式，"Fischer说。"它应该会让我们从现在硅的最佳性能预期中提升一大步。我们现在有了一条以更低的功耗获得更快的开关速度的道路。这就是未来推动碳基电子半导体产业发展的动力。"

该论文的共同主要作者是来自加州大学伯克利分校物理系的Daniel Rizzo和Jingwei Jiang以及化学系的Gregory Veber。其他共同作者是加州大学伯克利分校的Steven Louie、Ryan McCurdy、Ting Cao、Christopher Bronner和Ting Chen。Jiang、Cao、Louie、Fischer和Crommie隶属于伯克利实验室，而Fischer和Crommie是Kavli能源纳米科学研究所的成员。

该研究得到了海军研究办公室、能源部、节能电子科学中心和国家科学基金会的支持。