奈米碳管半導體材料有突破性發展

眾所周知使用奈米碳管來製作極速電腦或其它電子裝置，已經陷入了發展上的困境，因為生產一批奈米碳管的材料中，會包含不同的電子屬性參雜在裡頭，可能前一支是半導體的材料，下一支卻是導體奈米管。現在，美國西北大學研究人員已經開發成一種可靠且有潛力的實作方法，去排序這些凌亂分散的奈米管，並且精準地把需要的型式用到高效能的電子元件上。此一先進的技術可加速有關奈米管電腦的進展，以及很多近期產品需要的應用，包括高解晰的顯示器、奈米毒性測試用裝置與太陽能電池等。

這項新的處理流程可分離（Sorting）金屬性的與半導體性的奈米管，它同時也能再以其直徑大小來分離應用（為了製作高可靠度電腦晶片的一項要素），並且排除掉污染物。當研究人員預期能依直徑來排序奈米管時，發現也能依電子性質來做排序，令人感到相當地意外，西北大學小組中一位研究人員，也是該校材料科學與工程教授的Mark Hersam說到：「我們剛開始簡直不敢相信這是真的。」

奈米碳管是一種最終能取代以矽晶為本之電子材料的極佳候選方案，因為它尺寸小又具備優良的電性，有的是半導體性質的─一種完美的電晶體材料，其餘則屬於金屬性的導體，是連接電晶體間相當有用的導線。然而要得到正確電子型態的奈米管，「要用一種很大很大不同的方式來處理。」MIT物理與電機工程教授Mildred Dresselhaus這麼說，因為把一個金屬導電性的奈米管放到應該是用半導體奈米管的地方，將會導致整個晶片的壞損。

所以，雖然研究人員已經能以煞費苦心的方式來建構一個奈米管邏輯電路，但用的方法需要忙碌地一一分別它們的屬性，且所有過程實在是相當地冗長乏味，當然也就沒辦法來承擔一顆內含上百萬電晶體晶片的生產量，而與目前的電腦晶片競爭。此外，過去想要完全地分離半導體與金屬導體奈米管的方法，已經證明無法達到，加拿大蒙特樓大學的化學教授Richard Martel在《自然奈米科技（Nature Nanotechnology）》刊物上寫了一篇"a breakthrough in the field."的專論，就認為西北大學研究人員已達到突破性的發展。

剛開始這些研究人員是在一批奈米管上添加了表面活性劑，表面活性劑會閂住在奈米管上，但是不同的奈米管尺寸與電性會因為表面活性劑而集中在不同的排列區域內，並且依次以不同的密度來測量排序。這些有差別密度的奈米管可用大家熟知的超級離心機（ultra-centrifugation）來挑出，材料是投進在極高速度下的離心機去旋轉，這種旋轉速度通常會高達每分鐘64,000轉的速率。

接著研究人員發現，密度的改變乃是依照他們所使用的表面活性劑型態而造成，這使得他們試著結合多樣的表面活性劑來做實驗。結果發現使用恰當的結合方式，可以在不同直徑的奈米管間擴大密度的差異性，同時，令人驚訝的是也可以分出不同性質的半導體與金屬奈米管。雖然他們還沒辦法確立精確的使用機制，但研究人員相信必須針對這些半導體與金屬性奈米管去做一些不同的標示，使它們成為可知可用的電性。

佛羅里達大學物理教授Andrew Rinzler就說，這個方法的提出，是他到目前為此所看過最好的數據結果，而且所產生的批量用來發展高效能電子元件也相當足夠了。事實上，Hersam表示，這個方法產生的半導體與金屬性奈米管的批量，可以做到超過99%準確度呢。

當然，這個方法還有潛在提升大規模生產的價值。因為西北大學研究人員只是使用實驗室規格的離心機，一天只能分離生產數毫克的奈米管而已。Hersam認為以工業級的離心機來生產製造，應該可以產生10萬倍以上的效果。當投入大規模生產時，會同時平行地使用多台離心機來運轉，而且可以一天24小時不停地生產，在機器持續運轉時，把分離好的產品取出，立刻再加進去新一批的材料。

不過Rinzler與Martel也提醒大家，此一方法的效用如果用在大規模生產，仍然需要做進一步的驗證。Martel認為需要將個別的奈米管做測試，看看在處理過程當中是否有受到損傷，不過由於表面活性劑通常不會對這類奈米管材料造成損傷，所以他預期屆時應該不會有什麼大問題。

實際上，研究人員已經利用此一新技術來開發出真正的產品，且就登在《自然奈米科技》的報告上，Hersam在此發表了利用這個方法製造較為簡單的電晶體，所使用的是薄膜網狀的奈米碳管半導體，這種電晶體對於控制電腦顯示器或平面電視的畫素，相當有用。

同時，Martel也使用此分離技術，以良好的網狀傳導性奈米管，輔助製作出一種透明的薄膜。這些薄膜用在一些顯示器上也很有用，可用來替代氧化銦錫做的電極，Martel說用途還很多，例如用來改善有機太陽能電池的效能也很有潛力，因為此類電池就需要用到透明狀的電極。

當然，相對於以單一奈米管多電晶體閘來製成一個電腦晶片的終極目標而言，還要多年發展以後才有可能實現，因此研究人員目前仍必須面對許多發展技術上的挑戰，才能將上百萬電晶體緊密地組合在一起，同時還要用導線連接佈滿在整個錯綜複雜的電路上。然而，西北大學畢竟已經以先進的技術把基本的障礙排除掉了，可以說為開發以奈米管為基礎的電子元件，踏出了重要的第一步，而研究人員也都覺得非常的興奮，因為可以據此來進一步推動後續的工作。