蝕刻在矽上的晶體管的縮小特性總是需要推動制造技術的前沿。然而，石墨烯和碳納米管等原子薄材料的發現提高了用這些材料的自然屬性取代我們制造需求的前景。如果可以簡單使用1 nm寬的碳納米管，那麽就沒有必要在矽中刻蝕1 nm的特征。
目前，已經取得了壹些顯著的成功，例如由單根碳納米管制成的1納米門。然而，這項工作通常涉及壹個困難的過程，即如何將原子薄材料放在正確的位置，以制造功能性設備。硬件的其余部分通常由借用更傳統的晶體管設計的笨重材料制成。
然而，本周發表的壹篇新研究論文描述了壹種迄今為止最小晶體管柵極長度的創紀錄設計。這個記錄是由石墨烯片的邊緣創下的，這意味著網格只有壹個碳原子。而且設計團隊通過在關鍵部件上使用第二原子薄材料(加上巧妙的零件排列)，保證了整個晶體管易於制造且相對緊湊。
走向原子化
標準的晶體管設計包括兩個導電電極:源極和漏極，由半導體隔開。半導體的狀態，也就是說它是導電的還是絕緣的，是由第三個導電電極決定的，這個電極叫做柵極。雖然衡量晶體管大小的標準有很多，但柵極長度是最重要的標準之壹。
矽可能是最著名的半導體，但在這些材料中也有原子薄的半導體，二硫化鉬是最突出的。二硫化鉬雖然因為化學鍵的排列沒有單個原子那麽薄，但是還是很致密的。考慮到它有用的性質，良好的特性和易於使用，研究人員使用二硫化鉬作為他們的半導體材料。源電極和漏電極只是接觸二硫化鉬的簡單金屬條。
在之前的1納米器件中，柵極是由單根碳納米管制成的。變小很難，但也不是不可能。石墨烯薄片就像扁平的碳納米管:壹片連接在壹起的碳原子。雖然薄片的長度和寬度比納米管大得多，但其厚度只有壹個碳原子的厚度。所以，如果妳可以用石墨烯的邊緣作為柵極，妳可以得到壹個非常小的柵極長度。
然而，所有這些材料都被用於無數的測試設備中。這項新工作的秘密在於它們是如何安排的。這種安排的壹部分只是為了使石墨烯片的邊緣在正確的方向上充當網格。然而，這種設計的壹個顯著優點是易於制造，因為它不需要非常精確地定位原子薄材料。
巧妙的幾何學
為了制造這種設備，研究人員從矽和二氧化矽層開始。矽是純結構的——晶體管本身不含矽。石墨烯片被塗覆在矽和二氧化矽上以形成柵極材料。在此之上，研究人員放置了壹層鋁。雖然鋁是壹種導體，但研究人員讓它在空氣中停留幾天，在此期間，它的表面被氧化成氧化鋁。所以石墨烯片的底面是二氧化矽，上面是氧化鋁，兩者都是絕緣體。這將石墨烯邊緣與晶體管硬件的其余部分隔離開來。
為了以壹種有用的方式暴露石墨烯的邊緣，研究人員簡單地沿著鋁的邊緣蝕刻到下面的二氧化矽中。這將切割石墨烯片，露出可以用作柵極的線性邊緣。此時，整個器件覆蓋了壹層薄薄的氧化鉿，氧化鉿是壹種絕緣體，在柵極和其他硬件之間提供了壹點空間。
上圖:設備結構圖。黑色是二氧化矽襯底，藍色是石墨烯，紅色是鋁/氧化鋁層，黃色是二氧化鉬。氧化鉿層未示出。
接下來，在整個(現在是三維的)結構上放置二硫化鉬半導體片。因此，石墨烯的邊緣(現在嵌入在器件垂直部分的壁中)接近二硫化鉬。石墨烯的邊緣現在可以用作控制半導體導電性的門。柵極的長度也是石墨烯片的厚度——單個碳原子，也就是0.34 nm。
從那裏開始，研究小組簡單地將源極和漏極放置在柵極的兩側。三維布局使這變得容易。源放在上面，漏放在下面，中間有壹個豎墻。研究人員稱他們的設備為側壁晶體管，因為柵極位於側壁的中間。)
不僅僅是設計。
雖然器件的很多特性都是通過建模獲得的，但研究人員顯然已經做了幾十個晶體管。他們中的壹些被犧牲來成像和確認材料是否在基於制造過程的預期位置。但是其他的都是用來證明硬件真的可以像晶體管壹樣工作，雖然需要相當高的電壓才能做到這壹點。它的泄漏也足夠低，適合低功率操作。
當然，研究人員提出了各種方法來改進晶體管。然而，這些早期演示設備的性能有點跑題，超出了它的功能。
真正重要的是，研究人員找到了壹種方法，可以真正使用最小的原子薄材料作為功能晶體管的壹部分。在設備中加入石墨烯和硫化鉬，不需要特別精確的定位就可以做到這壹點。這部分是因為需要精確定位的石墨烯部分(邊緣)是通過蝕刻產生的。而且二硫化鉬的位置必須足夠好，能夠覆蓋柵極，延伸到可以連接源極和漏極的位置。
當然，要讓基於這種結構的數十億臺設備易於定位，我們還需要很長時間。但這絕對是實現目標的必要步驟。