碳纳米管会代替传统硅材料成为更优质的计算机电子元件材料吗，现在大规模应用的阻碍是什么？

碳纳米管，这个微小却强大的碳材料，一直以来都被视为半导体界的“明星”。它的电学性能，比如极高的载流子迁移率和良好的导电性，确实让它在理论上比我们现在使用的硅材料有着巨大的优势。想象一下，计算机运算速度更快、功耗更低，这无疑是所有人都期待的未来。那么，碳纳米管能否真正取代硅，成为未来电子元件的主流材料呢？

碳纳米管的“明星潜力”：为何它如此吸引人？

要说碳纳米管为何能吸引如此多的关注，首先得从它的“天赋异禀”说起。

速度上的飞跃： 碳纳米管的电学性能一个最突出的亮点是它的载流子迁移率。简单来说，就是电子（或者空穴）在里面跑得有多快。与硅相比，碳纳米管的迁移率要高出很多。这意味着在相同的电场下，电子在碳纳米管中的速度更快，从而能够支持更快的开关速度，也就意味着更快的处理器和更快的响应速度。我们现在使用的计算机芯片中，硅的极限已经在不断被挑战，而碳纳米管似乎能为我们打开一扇通往更高速度的大门。

尺寸上的优势： 碳纳米管的直径非常小，通常在纳米尺度（十亿分之一米）。这意味着我们可以将晶体管做得更小，更密集。摩尔定律一直在推动着电子元件的微型化，而碳纳米管的尺寸优势，理论上可以让我们在更小的芯片面积上集成更多的功能，实现更强大的计算能力。

强大的散热能力： 电子元件在工作时会产生热量，这是限制其性能和可靠性的重要因素。碳纳米管在热导性方面表现也非常出色，它能够有效地将热量从元件内部导出，有助于解决电子元件的散热难题，从而提升性能和寿命。

低功耗的可能性： 由于载流子迁移率高，碳纳米管可以在较低的电压下工作，这直接意味着更低的功耗。在移动设备日益普及的今天，低功耗意味着更长的电池续航，也减少了对环境的影响，这对于可持续发展来说意义重大。

然而，通往“明星”之路并非坦途：大规模应用的阻碍

尽管碳纳米管有着如此多的诱人之处，但我们目前在主流计算机电子元件中看到的还是硅。这背后有着一系列复杂的技术和经济上的原因，阻碍了碳纳米管的大规模应用。

1. 纯度的挑战：碳纳米管的“先天缺陷”

这是目前最核心也是最难解决的问题之一。我们理想中的碳纳米管是“半导体型”的，它们能够像硅一样被用作晶体管的开关。但碳纳米管在合成过程中，会同时产生半导体型和金属型两种类型的碳纳米管。

金属型碳纳米管的“捣乱”： 金属型碳纳米管就像是电路中的“短路”，它们会允许电流随意通过，而无法被有效地控制。这对于需要精确开关的晶体管来说是致命的。如果一块芯片中混入了大量的金属型碳纳米管，整个芯片的性能就会大打折扣，甚至无法工作。
分离的难度： 从合成的混合物中精确地分离出高纯度的半导体型碳纳米管，是一个极其困难的技术挑战。目前的方法要么效率不高，要么成本高昂，或者会对碳纳米管的结构造成损伤。想象一下，你需要在数以亿计的极细导线中，挑选出特定性质的，这种难度可想而知。

2. 结构的控制：如何让它们“乖乖听话”？

即使我们能获得纯净的半导体型碳纳米管，如何将它们精确地放置到芯片上，并按照设计好的电路连接起来，也是一个巨大的难题。

定向生长与排列： 在半导体制造中，我们依赖精密的“光刻”技术来定义电路的形状和结构。碳纳米管的“生长”和“排列”却难以像硅一样被精确地控制。如何在大量的衬底上，让碳纳米管沿着预定的方向、按照预定的密度、以预定的间距生长，并形成复杂的集成电路，这仍然是科学家们需要攻克的难关。
连接的问题： 将这些纳米尺寸的碳纳米管与传统的金属导线进行可靠、低阻抗的连接，也是一个技术瓶颈。接口的质量直接影响信号的传输效率和器件的稳定性。

3. 制造工艺的兼容性与成本：成本的考量

我们现在使用的硅基半导体制造工艺已经非常成熟，经过了几十年的发展，成本已经大大降低。而碳纳米管的制造和集成，需要全新的工艺流程。

设备投资： 引入一套全新的碳纳米管制造设备，需要巨额的投资，而这些设备目前还没有达到成熟的工业化水平。
良品率： 新的制造工艺在初期往往良品率较低，这意味着大量的成本会浪费在报废的产品上，这会使得碳纳米管电子元件的价格远高于硅基产品，难以在市场上获得竞争力。
规模效应： 在大规模生产下，硅的单位成本非常低。碳纳米管要达到相同的成本水平，还有很长的路要走。

4. 可靠性与长期稳定性：经得起考验吗？

电子元件需要在各种环境下长期稳定地工作。碳纳米管的长期可靠性，尤其是在复杂的集成电路环境中，还需要更多的研究和验证。

环境敏感性： 碳纳米管的电学性能可能会受到环境因素（如氧气、水分）的影响，这需要在封装和制造过程中加以考虑。
老化问题： 长期运行后，碳纳米管的性能是否会发生衰减，或者出现其他老化现象，也是需要评估的关键因素。

5. 理论模型的局限与实际应用的差异：理论到实践的鸿沟

尽管我们对碳纳米管的理论性能了如指掌，但将其转化为实际的、可大规模生产的电子元件，还需要解决很多实际问题。实验室里的优异表现，并不总能直接转化为批量生产的性能。许多理论上的优势，在实际应用中可能会因为各种因素而打折扣。

未来展望：取代还是共存？

目前来看，碳纳米管 短期内不太可能完全取代 传统硅材料成为主流的计算机电子元件材料。硅的成熟度、成本优势以及现有产业的庞大基础，都是碳纳米管难以在短时间内撼动的。

然而，这并不意味着碳纳米管没有未来。更有可能的情况是：

在特定领域的“尖刀”应用： 碳纳米管的独特优势，可能会让它们首先在对性能要求极高的特定领域得到应用，例如高性能计算、射频通信、传感器等。这些领域可以容忍更高的成本，并且能够充分发挥碳纳米管的性能优势。
与硅的“混合搭配”： 未来的电子元件可能会采用“混合”的策略，在某些关键的、对速度或功耗有特殊要求的环节，使用碳纳米管来增强性能，而主体部分仍然使用成熟的硅技术。
持续的技术进步： 随着科研的深入和制造技术的不断突破，我们有理由相信，碳纳米管在纯化、定向生长、集成等方面会取得更大的进展。一旦这些技术瓶颈被有效解决，碳纳米管的商业化进程将会大大加速。

总而言之，碳纳米管拥有令人兴奋的潜力，能够为电子工业带来革命性的变革。但要让它真正登上计算机电子元件的“舞台中央”，还有许多艰难的挑战需要克服。这个过程可能需要时间、大量的投入和不懈的努力，但一旦成功，它带来的影响将是深远的。

简单梳理，近1年间与Intel某实验室同伴共同调研的二维碳基材料方向。硅基/非硅基异质集成会是未来很长一段时间延续摩尔定律的路径。

业内众所周知的，未来的芯片设计和制造除了面临制程微缩导致的良率、功耗、成本、集成度的挑战，再者就是硅验证的突破，目前已知芯片都是通过silicon proof保证硅材料物理实现的正确性，但在非硅基材料下，design rules将会大改；随之而来的PDK和EDA工具的研发大改也会到来，以及更为宏大的Fab装备和辅材的产业链技改升级，这期间从研究到产业化的进程会是10年+起步的...…

流行的2D半导体材料是围绕碳基成果展开的，碳纳米管/石墨烯等碳基材料都是探索2D电子材料的基础介质，本身都是为了延续电子的摩尔定律，电子的受众基础更好（光子暂时并不适用于处理微观逻辑）。碳基二维材料可以比较长远的延续电子摩尔定律，比如很多Lab都证明过的数据：【倘若用碳纳米管做传导，其电子迁移率可达到硅晶体管的1000倍，且CNT管中的电子自由程极长，电子活动更自由就不容易摩擦发热，如此推导CNT晶体管的电子极限运动速度会是硅材晶体管的5~10倍，功耗只有硅材晶体管的1/10，制程工艺条件就会变得很宽松】，这些优越性就构成了2D材料进入纳米电子学的切入点。但仅仅是概念层面证明，想要量产化的取代硅基芯片还不可能，碳元素够活泼，介电常数低，制备技术和成本都是巨大障碍。

前段新闻【台湾大学+TSMC+MIT共同公布的利用半金属铋（Bi）作为二维材料的接触电极的成果】，应该是由不同二维材料原子层堆叠而成的VDW异质，这是一个新思路；提到的Bi元素，就是二维范德华<VDW>材料的参与成份/方案之一，这会是个disruptive方向；相比传统硅基，VDW异质结的构建不依赖于晶型和晶格常数的匹配，理论上只要简单的机械剥离+堆叠的办法，就能得到多种通过传统外延方法不能获得的结构，从中可以搭建/定义一些物理构型，比如典型的金属-绝缘体-半导体<MIS结>或是半导体-绝缘体-半导体<PN结>，甚至可以通过多加制备一层金属性CNT管而搭建出GAA环绕栅级构型的场效应管，即使做成比如2D-FET晶体管，也可以做到栅极长度缩放，从而相比Si基材就更有可能不受短沟道漏电流的效应影响，这些特点用于高微缩/高密度的逻辑器件上就更有实用意义。国内有团队在2D VDW基材产品化方面做得很好，推测初代产品化会在NOR Flash上大面积普及，而高密度的碳基逻辑运算电路实现会更加耗时，CNT晶体管虽说预测单个器件性能比硅基优10倍，但当这些器件大密度连接起来之后并不确定是否有这么显著的性能提升；以及仅在金属导线和栅极结构等材料工艺层面的技术就需要很多年定型，这还不算design rules/设计工具/生产装备和辅材的升级。如今，制约二维材料的掣肘自然是材料生长，无法大面积、低成本制备出高性能的2D材料，致使这项实验室技术难以指导量产方案和装备定型。

随着当下碳基2D半导体的接触电极方案的解决，将推动高性能低功耗存储器甚至逻辑处理器的发展，在未来1nm甚至更微缩的工艺中，把控性能与功耗、密度与成本的平衡是关键，碳硅融合同样是disruptive的方向。MIT已经做了尝试：【Y19年，MIT研究人员与芯片制造商ADI合作，制造出全球首个全功能、可编程的16位RISC-V架构碳基处理器。该处理器能够完整地执行整套指令集。它执行了“Hello, World！I am RV16XNano，made from CNTs. 程序。】－－ 虽然是实验室产物，但它却是一个规模很大的、各器件均一性加以提升的由14000+个CNT晶体管组成的工程化系统。

此外从国产替代角度看，发展二维碳基集成电路也是必要的，国内几大Lab也在加快研究任务，起因是过去30年我国饱受高端装备的进口限制，比如晶圆制备和光刻过程涉及的难以绕过的进口装备；而作为技术拐点之一的2D碳基材料，它的晶体管是使用碳纳米管，制备方法和装备没有来自硅基的传承，比如前面提到带有VDW异质结的CNT晶体管，它的IP还不健全，材料制备的量产方案还不存在，而碳基集成电路的制造更不会用到光刻机，不需要依赖传统的硅基芯片的制造装备，不需要硅基晶圆生产的抛光-光刻-蚀刻-离子注入等工艺过程；这会成为我国半导体行业弯道超车、摆脱封锁的机会。就像Intel和TSMC反复讲过的一样【后摩尔定律时代的颠覆性技术会从材料、器件、架构方面分别革新，这种在整个产业链级的研发-量产重启，会为我国IC产业带来更多的发展机会，二维原子晶体毫无疑问是后摩尔定律时代电子器件的流行载体】。

至于研究前景：综上，在架构革新上，如今Logic IC的密度、功耗和集成度需求都发生很大变化，更多的应用场景这意味着更多发展机会，比如存算一体/感算一体等；而不再是沿着先进制程节点追赶，一些应用科研项目也不再需要全球乱抄作业，电子电路的基础前进方向划定，实验数据接连证实，接下来就会看到厂商大力参与配合落实工程方案。

最后，二维材料的一大挑战，是如何实现二维材料的大规模生产或是高质量二维薄膜的晶圆级生长以用于实际应用。

REF - 1：附一篇最近1年发布的范德华异质结纳米管论文简介 ：Small Science-- 一维范德华异质结纳米管 、2D半导体可替代硅，延续摩尔定律，英特尔、台积电等解决硅基设备材料限制

REF - 2：附一篇通过2维材料实现2D-FET构型的晶体管栅极长度缩放从而避免了短沟道漏电流效应的介绍： 晶体管的未来，靠二维材料了？