量子點(diǎn)（紅色）、碳納米管（灰色）和二硫化鉬納米片（白色/灰色）顯示為代表性的0D，1D和2D納米材料，可以基于石墨烯基的、電場(chǎng)輔助的沉積方法將它們大規(guī)模地加以組裝。

四年前，IBM宣布將在未來五年內(nèi)投資30億美元用于發(fā)展納米電子學(xué)[1]，這筆投資對(duì)應(yīng)的大項(xiàng)目名稱是“7納米及超越7納米”。至少有一家主要芯片制造商（包括GlobalFoundries）在7納米節(jié)點(diǎn)碰壁，但I(xiàn)BM正通過使用石墨烯在預(yù)先確定的位置沉積納米材料，繼續(xù)向前邁進(jìn)。

據(jù)《自然-通訊》期刊上10月5日在線發(fā)表的一篇論文[2]所述，IBM的研究人員首次使石墨烯帶電以便其幫助實(shí)現(xiàn)以97%的準(zhǔn)確率沉積納米材料。

“由于這種方法適用于各種納米材料，我們?cè)O(shè)想了具有代表納米材料獨(dú)特物理特性的功能的集成器件。”IBM巴西研究所的管理者M(jìn)athias Steiner說。“我們還能想到在由納米材料的光學(xué)特性決定的不同波長(zhǎng)范圍內(nèi)工作的芯片上光探測(cè)器和發(fā)射器。”

Steiner解釋說，例如，如果你想要修改光電器件的光譜特性，你可以簡(jiǎn)單地替換納米材料，而同時(shí)保持制造工藝流程不變。如果你進(jìn)一步采用該方法，你可以進(jìn)行多次組裝，將在不同位置的不同納米材料加以組裝，以創(chuàng)建同時(shí)在不同檢測(cè)窗口運(yùn)行的多個(gè)芯片上光檢測(cè)器。

IBM巴西研究所的研究人員Michael Engel說，整個(gè)方法可以看作是一種自下而上/自上而下的混合工藝流程。幾年前，IBM創(chuàng)造了一種混合工藝[3]，它結(jié)合了自上而下的制造技術(shù)（如光刻技術(shù)）和自下而上的技術(shù)（通過自組裝“生長(zhǎng)出”電子產(chǎn)品）。

Engel解釋說，這種混合工藝的第一步是直接在進(jìn)行納米材料組裝的基板上生長(zhǎng)石墨烯。

在IBM的演示中，他們?cè)谔蓟枭鲜褂昧耸ngel指出，也可以在另一種材料（如銅）上生長(zhǎng)石墨烯，然后剝離石墨烯并將其放在硅/二氧化硅晶片上。

下一步是蝕刻石墨烯以確定沉積位置。這是大規(guī)模完成的，可以被認(rèn)為是該工藝的自上而下部分。

第三步采用自下而上技術(shù)，研究人員將AC電場(chǎng)應(yīng)用于圖案化的石墨烯層，同時(shí)在上面放置納米材料溶液。然后，納米材料被拖曳下來并被限制在相反的石墨烯電極之間。

Engel說：“所以，石墨烯履行了界定放置位置和為定向納米材料組裝提供電場(chǎng)方向和拖曳力的功能”。

在該工藝的第四步中，蝕刻掉石墨烯沉積電極，接著是用于集成和操作電子或光電器件的其他制造步驟。

在這項(xiàng)研究成果之前的最先進(jìn)技術(shù)是使用金屬電極，金屬電極是很難移除的，限制了器件性能和集成潛力。

Steiner說：“我們相信這項(xiàng)研究的最大突破是在更大的、毫米尺度的區(qū)域內(nèi)自下而上放置納米級(jí)分辨率的各種納米材料，并可很容易地移除（殘留的自由）電極。石墨烯電極使納米材料對(duì)齊和密集排列的能力出色，且可限制化學(xué)物質(zhì)的暴露，避免金屬線，從而實(shí)現(xiàn)卓越的器件性能。”

該工藝不會(huì)在一夜之間拯救摩爾定律。根據(jù)Engel的說法，最大的挑戰(zhàn)之一是將基于溶液處理的納米材料引入工業(yè)規(guī)模的制造過程。

Engel說：“這將需要在納米材料溶液的標(biāo)準(zhǔn)化方面取得進(jìn)展，以實(shí)現(xiàn)可重復(fù)和一致的結(jié)果，同時(shí)也需要使電場(chǎng)輔助的方法適用于晶圓級(jí)制造工藝。”

雖然IBM無法解決納米材料溶液的標(biāo)準(zhǔn)化問題，但研究人員正在繼續(xù)研究器件層面的技術(shù)，并將不同的納米材料集成在一起，以便定制基本的集成電路（例如電子逆變器、環(huán)形振蕩器等）。

沿著這些思路，研究人員正在開發(fā)其光譜特性由組裝的納米材料決定的、專用的芯片上光發(fā)射器和探測(cè)器。