科學家首次合成純碳環(huán)形分子,可能是分子級晶體管的關(guān)鍵一步

8月15日，《自然》（Nature）雜質(zhì)今天刊登了一項重大科學突破：牛津大學的化學家和IBM的團隊一起，首次制造出了由18個碳原子組成的環(huán)形純碳分子，而這在過去「幾乎難以成功」，曾有無數(shù)團隊嘗試后放棄了。

一開始，科學家先合成了由碳原子和氧原子組成的三角形分子，然后經(jīng)電流作用產(chǎn)生碳18分子。這種分子被稱為「環(huán)碳」（cyclocarbon），初步研究發(fā)現(xiàn)它表現(xiàn)為半導體，這可能對制造分子級的晶體管有很大幫助。

很多科學家表示，這絕對是「令人震驚的突破」。

碳是一種常見的非金屬元素，由純碳組成的碳單質(zhì)可能外在表現(xiàn)截然不同，如堅硬透明的鉆石和黑色、柔軟的石墨，它們被稱為「同素異形體」。據(jù)科普中國介紹，它們不同只要取決于其分子結(jié)構(gòu)，金剛石中，每個碳原子都與周圍的4個碳原子通過強烈的相互作用緊密結(jié)合，這樣形成的三維結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定。

石墨則是層狀結(jié)構(gòu)，就一個片層而言，每1個碳原子會與其周圍的3個碳原子通過強烈的相互作用緊密結(jié)合。因為層之間的距離較大，碳原子的相互作用較弱，因此石墨很軟、有滑膩感。

理論上，碳分子也可以由相鄰的兩個原子組成，這樣就形成一個環(huán)裝結(jié)構(gòu)。過去已有類似的研究，但是這樣的結(jié)構(gòu)相比金剛石和石墨都非常不穩(wěn)定，很難有真實應(yīng)用。此次的科學家團隊則提出了一種新的方法，目前，在一定的前提條件下（基材表面保持冷卻，大約零下450華氏度），新的碳分子可以保持穩(wěn)定。

這可能對芯片行業(yè)有重大影響。例如目前主流的手機處理器是10納米和7納米制程，芯片廠商也在研究5納米甚至2納米制程的新產(chǎn)品，廠商在嘗試將晶體管的尺寸越做越小，因為這樣芯片就可以在同樣尺寸下容納更多晶體管，以獲得更強的性能。

現(xiàn)在，比拇指還小的芯片上能容納上億個晶體管，你的手機比當年登月工程使用的計算機有更強的性能。

驅(qū)動科技行業(yè)快速發(fā)展的摩爾定律就是對這種趨勢的總結(jié)，「集成電路上可容納的晶體管數(shù)目，約每隔兩年便會增加一倍?！?/p>

但是，當晶體管越做越小的同時，摩爾定律也開始受到挑戰(zhàn)，這主要是因為受物理特性的影響，當芯片采用越來越小的制程時，會遇到各種各樣的，如制造工藝、功耗，甚至包含漏電。

摩爾本人也曾預(yù)測過摩爾定律將在2020年失效，不過，他當時提出的幾個問題都已經(jīng)得到了解決。芯片行業(yè)目前遇到的瓶頸，已經(jīng)觸及材料的物理極限，要突破瓶頸很可能需要借助新材料的發(fā)展。如果能制造出分子級的晶體管，電子行業(yè)進入分子電子學時代，摩爾定律將再次顯現(xiàn)威力。