作为目前主流的半导体材料，硅已经广泛应用于各种电子元件。但受限于硅的自身性质，传统半导体技术被认为已经趋近极限。
相较之下，碳纳米管不仅具有硅的半导体性质，而且管壁厚度仅相当于一个原子，其超小空间使得它能够快速改变流经它的电流方向，达到5倍于硅晶体管的速度或能耗只有硅晶体管的1/5。
因而，碳纳米管是最好的导电材料之一，也被认为是最有前景的下一代晶体管材料。科学界希望利用它来制造速度更快、能耗更低的下一代电子元件，使智能手机和笔记本电脑等设备的电池寿命更长、无线通信速率和计算速度更快。
但长期以来，由于一些关键技术挑战始终无法攻克，碳纳米晶体管的性能表现一直远远落后于硅晶体管和砷化镓晶体管，无法在计算机芯片和个人电子产品中得到应用。
如今这一困局终于被打破。来自美国威斯康星大学麦迪逊分校的材料学家们，成功研制出了1英寸大小的碳纳米晶体管，并使其性能首次超越了硅晶体管和砷化镓晶体管，为将来碳纳米晶体管取代硅晶体管铺平了道路。
由于碳纳米管内往往混杂一些金属纳米管，容易造成类似电子设备的短路效应，干扰碳纳米管的半导体性能。为此，研究人员发明出一种高分子聚合物提纯技术，成功把碳纳米管中的金属纳米管含量降低至0.01%以下。
同时，碳纳米管的阵列控制极其困难，要获得性能良好的晶体管，必须按适当的顺序组合碳纳米管，使它们之间保持恰当的距离。针对这一问题，研究人员开发出一种叫做“浮动蒸发自组装”的技术，成功攻克了这一难关。
此外，考虑到在提纯过程中使用的聚合物会在碳纳米管与金属电极之间形成绝缘层，研究人员选择把碳纳米管放入真空容器中“烘烤”以去除绝缘层，并通过熔解的方法去掉残留杂质，从而保证了良好的电接触。
最终，研究人员获得的碳纳米晶体管的电流承载能力是硅晶体管的1.9倍，性能首次超越了目前技术水平最高的硅晶体管，并在此基础上成功研制出2.54厘米见方的晶片。下一步，他们将致力于把这一工艺扩展至商业生产水平。
研究负责人之一迈克尔·阿诺德教授在一份声明中表示，这是一个“重大里程碑”，是推动碳纳米管在高速通信以及其他半导体电子技术方面应用的关键一步，有助于继续推进计算机行业有关性能的高速发展，尤其是在无线通信技术方面。■