系统数据:9月3日

微处理器由碳纳米管建造
麻省理工学院的研究人员能够设计带有碳纳米管的微处理器用传统工艺制造芯片，这一进步可用于下一代计算机。

生产碳纳米管场效应晶体管的工作已经进行了一段时间。在大规模制造时，这些cnfet往往会产生重大缺陷，使它们几乎毫无用处。

麻省理工学院的团队在《自然》杂志上发表的一篇论文中描述了一个拥有14,000多个cnfet的16位微处理器。该论文包括70多页详细介绍了制造方法。

“这是迄今为止由任何新兴纳米技术制成的最先进的芯片，有望用于高性能和节能计算，”合著者Max M. Shulaker说，他是电气工程和计算机科学(EECS)的Emanuel E Landsman职业发展助理教授，也是微系统技术实验室的成员。“硅是有限制的。如果我们想继续在计算领域取得进展，碳纳米管是克服这些限制的最有希望的方法之一。这篇论文彻底改变了我们用碳纳米管制造芯片的方式。”

由碳纳米管场效应晶体管制成的现代微处理器特写。图片:Felice Frankel

与Shulaker一起发表论文的有:第一作者和博士后Gage Hills，研究生Christian Lau, Andrew Wright, Mindy D. Bishop, Tathagata Srimani, Pritpal Kanhaiya, Rebecca Ho和Aya Amer，都是EECS的;约翰逊计算机科学与工程教授、计算机科学与人工智能实验室研究员Arvind;工程学院院长、Vannevar Bush电气工程和计算机科学教授Anantha Chandrakasan;还有塞缪尔·富勒、尤西·斯坦和丹尼斯·墨菲，都是Analog Devices公司的人。

研究人员提出了一种名为DREAM的技术(“设计抗金属CNTs的弹性”的首字母缩写)，该技术将金属cnfet定位在一种不会破坏计算的方式上。在这样做的过程中，他们将严格的纯度要求放宽了大约4个数量级(或10,000倍)，这意味着他们只需要纯度约为99.99%的碳纳米管，这是目前可能的。

舒拉克说:“‘DREAM’这个双关语是有意为之的，因为它是梦想的解决方案。“这使得我们可以从货架上购买碳纳米管，将它们放在晶圆上，然后像平常一样构建我们的电路，而不需要做任何特殊的事情。”

主要目标是将芯片应用到现实世界中。为此，研究人员现在已经开始通过支持这项研究的美国国防高级研究计划局的一个项目，将他们的制造技术应用到硅芯片代工厂中。虽然没有人能说完全由碳纳米管制成的芯片何时会上市，但舒拉克说可能不到五年。他说:“我们认为，这已不再是如果的问题，而是何时的问题。”

这项工作还得到了模拟设备公司、国家科学基金会和空军研究实验室的支持。

无炉陶瓷焊接
由加州大学圣地亚哥分校领导的一个工程师团队提出了一种陶瓷焊接工艺技术这预示着电子学的几项进步。

这一过程发表在8月23日的《科学》杂志上，它使用超快脉冲激光沿界面融化陶瓷材料，并将它们融合在一起。它在环境条件下工作，使用不到50瓦的激光功率，这使得它比目前需要在炉中加热零件的陶瓷焊接方法更实用。

陶瓷焊接在一起从根本上来说具有挑战性，因为它们需要极高的温度来融化，使它们暴露在极端的温度梯度中，导致开裂，高级作者Javier E. Garay解释说，他是加州大学圣地亚哥分校的机械工程和材料科学与工程教授，他与加州大学河滨分校的教授和机械工程系主任Guillermo Aguilar合作领导了这项工作。

陶瓷材料是非常有趣的，因为它们具有生物相容性，非常坚硬，抗破碎，使它们成为生物医学植入物和电子设备保护外壳的理想选择。然而，目前的陶瓷焊接工艺不利于制造这种器件。

Garay说:“目前，还没有办法将电子元件封装或密封在陶瓷内部，因为你必须将整个组件放入熔炉中，这最终会烧毁电子元件。”

Garay, Aguilar和同事们的解决方案是沿着两个陶瓷部件之间的界面对准一系列短激光脉冲，这样热量只在界面处积聚，导致局部熔化。他们称这种方法为超快脉冲激光焊接。

为了使其工作，研究人员必须优化两个方面:激光参数(曝光时间、激光脉冲数量和脉冲持续时间)和陶瓷材料的透明度。通过正确的组合，激光能量与陶瓷强烈耦合，允许在室温下使用低激光功率(小于50瓦)进行焊接。

“超快脉冲的最佳频率是1兆赫兹的高重复频率下的2皮秒，以及中等数量的脉冲。这最大限度地提高了熔体直径，最大限度地减少了材料烧蚀，并及时冷却，以实现最佳焊接。”

Garay说:“通过将能量集中在我们想要的地方，我们避免了在整个陶瓷中设置温度梯度，所以我们可以在不损坏它们的情况下包裹温度敏感材料。”

作为概念的证明，研究人员在陶瓷管内部焊接了一个透明的圆柱形帽。试验表明，焊缝强度足以保持真空。

第一作者Elias Penilla说:“我们在焊接上使用的真空测试与工业上用于验证电子和光电子设备密封的测试相同。”他在加州大学圣地亚哥分校的Garay研究小组担任博士后研究员，参与了该项目。

到目前为止，该工艺仅用于焊接尺寸小于2厘米的小型陶瓷部件。未来的计划将包括优化更大规模的方法，以及不同类型的材料和几何形状。

镍氧化物材料中的超导性
美国能源部SLAC国家加速器实验室和斯坦福大学的科学家合作生产一种具有超导特性的氧化镍材料。

氧化镍，也被称为镍酸盐，是一个潜在的非传统超导体新家族的第一个，它非常类似于铜氧化物，或铜酸盐，1986年铜氧化物的发现使人们希望超导体有朝一日可以在接近室温的条件下工作，并彻底改变电子设备、电力传输和其他技术。这些相似之处让科学家们想知道镍酸盐是否也能在相对高温下超导。

与此同时，这种新材料似乎在基本方面与铜酸盐不同——例如，它可能不包含所有超导铜酸盐都具有的一种磁性——这可能会推翻关于这些非常规超导体如何工作的主要理论。经过30多年的研究，没有人能确定这一点。

该实验由SLAC斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)的博士后研究员李丹凤(Danfeng Li)领导，并在《自然》杂志上进行了描述。

“这是一个非常重要的发现，它要求我们重新思考这些材料中电子结构的细节和超导的可能机制，”不列颠哥伦比亚大学(University of British Columbia)物理和化学教授乔治·萨瓦茨基(George Sawatzky)说。他没有参与这项研究，但在《自然》杂志上为这篇论文写了一篇评论。“这将导致很多人投入到对这种新型材料的研究中，各种各样的实验和理论工作将会完成。”

自从铜酸盐超导体被发现以来，科学家们一直梦想着以镍为基础制造类似的氧化物材料，镍在元素周期表中就在铜的旁边。

但是，制造具有有利于超导性的原子结构的镍酸盐出乎意料地困难。

“据我们所知，我们试图制造的镍酸盐在600摄氏度左右的高温下不稳定，而这些材料通常在高温下生长，”李说。“所以，我们需要从可以在高温下稳定生长的东西开始，然后在较低的温度下将其转化为我们想要的形式。”

他从钙钛矿开始——一种由其独特的双金字塔原子结构定义的材料——它含有钕、镍和氧。然后，他通过添加锶来掺杂钙钛矿;这是一个常见的过程，向材料中添加化学物质，使更多的电子自由流动。

这偷走了镍原子的电子，留下了空白的“空穴”，镍原子对此很不高兴，李说。这种材料现在不稳定，使得下一步——在表面上形成薄膜——非常具有挑战性;他花了半年时间才让它运转起来。

完成后，李将薄膜切成小片，用铝箔松散地包裹起来，并将其密封在试管中，用一种化学物质巧妙地带走了一层氧原子——就像从摇摇晃晃的叠叠积木塔中取出一根棍子一样。这将薄膜转变为一种全新的原子结构——掺杂锶的镍酸盐。

“这些步骤以前都已经演示过了，”李说，“但没有结合在一起。”

他记得在实验室里的确切时刻，凌晨2点左右，测试表明掺杂的镍酸盐可能具有超导性。李非常兴奋，他彻夜未眠，并在早上召集了他的研究小组的例会，向他们展示他的发现。很快，许多小组成员加入了他的行列，夜以继日地改进和研究这些材料。

进一步的测试将揭示镍酸盐在9-15开尔文的温度范围内确实具有超导性——非常冷，但这是第一次开始，未来可能会有更高的温度。

对这种新材料的研究还处于“非常非常早期的阶段，还有很多工作要做，”SIMES研究员、SLAC和斯坦福大学教授、该报告的资深作者哈罗德·黄(Harold Hwang)警告说。“我们刚刚看到了第一个基本实验，现在我们需要对铜酸盐进行整个系列的研究。”

他说，除此之外，科学家们还想以各种方式对镍酸盐材料进行掺杂，以观察这在一定温度范围内如何影响其超导性，并确定其他镍酸盐是否也能成为超导物质。其他研究将探索材料的磁性结构及其与超导性的关系。

来自斯坦福物理系、应用物理系和材料科学系以及工程系的SIMES研究人员也为这项研究做出了贡献，该研究由美国能源部科学办公室和戈登和贝蒂摩尔基金会的量子系统涌现现象倡议资助。