單壁式奈米碳管(single-walled carbon nanotube, SWCNT)具有優越的電子與機械性質，在薄膜電晶體和高效能邏輯元件等應用中可望取代矽。不過，研究人員必須設法製造出高密度、排列性佳且電性純度高的奈米碳管陣列，才能製作出實用的碳管元件。最近，美國科學家利用Langmuir-Schaefer法成功達到上述條件，得到的陣列表面密度超過500 tubes/μm，而製成的電晶體元件打破了多項紀錄，例如電流密度超過120 μA/m，電導大於40 μS/m以及開關電流比大於1000。
隨著微電子電路的線寬日益縮小，不久之後勢必達到矽材料的物理極限，而奈米碳管則被認為在未來有機會取代矽元素。化學氣相沉積法(CVD)雖能製作出高密度且高排列性的碳管陣列，但製程中卻會同時產生導電性與半導性碳管。雖然有許多方法能移除金屬性奈米碳管，但過程中不可避免地會損害到半導性奈米碳管品質。利用溶液亦能分離這兩種電性不同的碳管，藉由外加電場與剪力亦可使其規則排列，但成品密度卻僅有50 tubes/μm，以致於打造出的元件效能遠不如現行的矽元件。
IBM TJ Watson研究中心Wilfried Haensch等人利用Langmuir-Schaefer技術製造出高密度、排列性佳且電性純度高的奈米碳管陣列。Langmuir-Schaefer法常被用來製作一維奈米材料(如奈米線)高密度陣列，由於具有擴大規模的潛力，可望用來在整片晶圓上製作奈米結構陣列。團隊成員Qing Cao以「河流上的伐木」比喻他們的方法：奈米碳管在水面上會因表面張力而散開並呈現隨機排列，而施加壓力能使碳管朝同方向排列。他們所製造的陣列中有99%屬於半導體性奈米碳管。
Cao表示，矽材料在未來將逐漸式微，而IBM的目標是以奈米碳管取代矽製作高效能邏輯元件。奈米碳管電晶體不僅耗能只有矽元件的1/3，速度更快出3倍。該研究團隊目前計畫改良電晶體元件中碳管陣列與金屬電極間的電接觸，同時也持續優化奈米碳管分離技術並減少介面陷阱，以期製作更為一致的元件。詳見Nature Nanotechnology |
doi:10.1038/nnano.2012.257。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:丁逸勳(台灣海洋大學材料工程研究所)
責任編輯:劉家銘