彭练矛-张志勇课题组采用碳纳米管构建出8位双线总线电路

        北京大学信息科学技术学院电子学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛-张志勇团队的博士生裴天作为第一作者所撰写的研究论文Modularized Construction of General Integrated Circuits on Individual Carbon Nanotubes，于2014年6月在美国化学学会顶级期刊《纳米科快报》（NanoLetters 14, 31.2-3109, DOI: 10.1021/nl5001604）上全文发表（http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl5001604）。该工作被英国《自然》杂志作为研究热点进行了报道 （”Nanotubes form a complex circuit”,  Nature 509, 536）,  Phys.org、科学美国人等多家网站也报道了这项工作。

        碳纳米管器件已经被证明性能可以超越目前主流的硅基CMOS器件，但是其集成电路的发展遇到了来自材料方面的重大障碍：人们无法在需要的地方得到需要的碳纳米管，这使得碳管集成电路的发展大大落后于器件。现有的集成电路多是基于碳管薄膜材料制备的，需要选择的刻蚀掉其中的金属碳管，但同时也损伤了半导体碳管，因此大大降低了器件的性能，而且尺寸也无法缩小。由于高性能小尺寸的器件都是在单根碳管上实现的，基于单根碳管构建电路才是在目前的材料发展状况下实现高性能、小型化集成电路的有效方式。为了保证器件性能的均匀性，已有的单根碳管电路都是在一根碳管上集成的，这大大限制了集成电路的规模。因此，在目前的材料状况下，要在在多根碳管上构建集成电路，需要发展一种具有高容错性模块化构建方式。

图1. 碳纳米管8-T单元-函数发生器.

        裴天等人设计并演示了一种基于传输晶体管逻辑的八管单元电路（如图1所示），该单元可以构建在两根平行的半导体碳管上，通过控制G0-G3的电平实现A与B之间所有的16种逻辑和运算功能，因此是一种强大的函数发生器，并且对碳管材料具有很高的容错性，可以作为构建复杂集成电路的基本模块。

(a)

(b)

 图2 碳纳米管8位双向总线电路

        以八管多功能函数发生器单元作为基本模块，成功的实现一个8位双向总线电路（如图2），双向总线电路是计算机中重要的构成部分，用于计算机各模块之间的数据传输。该电路构建在6根碳纳米管上，包含有一共含有46个晶体管，是目前为止单根碳管上最为复杂的集成电路。这种模块化的方式也可以构建ALU、FPGA阵列以及乘法器等其他复杂集成电路和系统，作为一种适合于各种碳纳米管材料的通用集成电路构建方式。

        这项工作得到了国家科技部重大研究计划纳米专项、国家自然科学基金、中组部青年拔尖人才计划的资助。