自组装"纳米电子学"： 更快、更便宜、更可靠

一个了不起的概念验证项目利用一种快速、廉价的新生产技术成功制造出了纳米级二极管和晶体管，在这种技术中，液态金属被引导自组装成精确的三维结构。在《材料地平线》（Materials Horizons）杂志即将发表的一项经同行评审的研究中，北卡罗来纳州立大学（North Carolina State University）的一个研究小组概述并演示了使用铟、铋和锡合金（即菲尔德金属）的新方法。

一种新的制造技术成功地在纳米尺度上"自组装"了晶体管、二极管和导线 Julia Chang/北卡罗来纳州立大学

研究人员说，液态金属被放置在一个模具旁，可以制成任何尺寸或形状。 当它暴露在氧气中时，金属表面会形成一层薄薄的氧化层。 然后，将含有负电荷配体分子的液体倒在其上，这些配体分子的作用是将单个金属原子从氧化层上吸附下来，成为带正电荷的离子，并与它们结合在一起。

当配体溶液在毛细作用的驱动下开始流经模具中的通道时，它就会把这些构件一起拉过去。 在毛细管作用的驱动下，配体溶液开始流经模具中的通道，并将这些积木拉入其中。从本质上讲，模具使积木排列成有序的结构，就像电线一样，并相互粘连在一起。

闭合通道模具比开放通道模具能产生更一致的最终结构 Julia Chang/北卡罗来纳州立大学

"通讯作者、北卡罗来纳州立大学材料科学与工程学教授马丁-修（Martin Thuo）说："如果没有模具，这些结构可能会形成有些混乱的图案。"但由于溶液受到模具的限制，结构形成了可预测的对称阵列。

一切就绪后，配体溶液的液态部分开始蒸发，从而使配体和金属离子在其通道中更加紧密地挤压在一起。 然后取下模具，将最终形状缓慢加热至 600 °C 左右，并保持一小时。这一加热过程提供了足够的能量来打破将配体分子连接在一起的化学键，从而释放出碳和氧原子。

氧原子立即与金属离子结合，形成半导体金属氧化物，这些氧化物在烧结过程中相互融合，形成导线。 与此同时，碳原子组织成石墨烯，石墨烯整齐地包裹在金属丝周围，提高了金属丝的导电性，保护金属丝不受潮湿或进一步氧化的影响。

两层网格截面的扫描电子显微镜图像，突出显示各层之间的接触点 Julia Chang/北卡罗来纳州立大学

研究人员证明，他们还可以利用这些石墨烯层来调整所制导线的电气和光电特性。论文第一作者、北卡罗来纳州立大学博士后研究员朱莉娅-张（Julia Chang）说："石墨烯薄片可以用来调整半导体的带隙，使半导体的响应速度或大或小，这取决于石墨烯的质量。"

尽管加热过程会导致"严重的体积收缩"，但由此产生的导线仍然是连续的，不会断裂。

Thuo说："简而言之，我们已经证明，我们可以自组装高度结构化、高度可调的电子材料，用于功能电子器件。这项工作展示了晶体管和二极管的制造。 下一步是利用这种技术制造更复杂的设备，如三维芯片。D-Met（定向金属配体）技术的性质意味着你可以大规模地制造这些材料--你只受限于你使用的模具的大小。"

扫描电子显微镜图像显示人造金属中的复杂形状和图案 Julia Chang/北卡罗来纳州立大学

该团队表示，这项技术为制造计算机芯片提供了一种更快、更便宜、更可靠的方法。"Thuo 说："现有的芯片制造技术涉及许多步骤，并依赖于极其复杂的技术，因此成本高昂，耗时长。"我们的自组装方法速度更快，成本更低。 我们还证明，我们可以利用这种工艺调整半导体材料的带隙，并使材料对光做出反应--这意味着这种技术可以用来制造光电设备。

"更重要的是，目前的制造技术良品率低，这意味着它们会产生相对较多的无法使用的有问题芯片。 我们的方法产量高，这意味着阵列生产更稳定，浪费更少。"

这是一件非常了不起的作品，但在电子产品领域，尺寸是关键。 请快速浏览下面这段精彩视频，了解现代 CPU 芯片中的"电线"需要多么细小。

台湾台积电（TSMC）等制造商所采用的最先进的生产技术可以生产出最小尺寸为 3 纳米（约 15 个硅原子的宽度）的特征。 这种大规模制造如此接近单个硅原子的尺度绝对令人吃惊，但尺寸越小，生产出的芯片速度越快，效率越高。

那么，这种"自组装"技术又是如何做到的呢？ 在已发表的研究中，研究人员成功地制造出了从 1000 纳米到 44 纳米的金属丝。

研究中制作的最细导线宽度仅为44纳米 Julia Chang/北卡罗来纳州立大学

这真是令人难以置信；这是一种真正的纳米级制造技术，它比当今最好的方法更快、更便宜、更可靠，尽管它在原子级最终分辨率方面还无法与之抗衡。 目前还不清楚 D-Met 技术是否能适用于更小的尺度--但研究团队相信它完全有能力扩大大规模生产。

该论文在《Materials Horizons》杂志上公开发表，并经过同行评审。