电子发射模式:通向更小设备的新道路?

当今社会的许多部门对更小、功能更强的电子设备的需求一直在增长。目前的技术限制了设备的尺寸。为了开发更小的设备，需要新的材料和制造技术。Alan G. MacDiarmid纳米技术研究所的Ali Aliev和Ray Baughman开发了一种碳纳米管的非接触干模式技术。他们的技术利用场增强电子发射将模式引入纳米材料，并允许制造各种用于电子和光学器件的纳米结构。

当今快节奏的世界创造了一个严重依赖技术的社会，对新产品和改进产品的需求越来越具有挑战性。在过去的几十年里，无论我们是“出门在外”还是呆在家里，我们用来自动化生活的电子设备数量都出现了爆炸式增长。我们对快速、小型、互联设备的需求和需求都在持续增长。在过去的一年里，随着COVID-19大流行迫使数百万人在网上工作、学习和社交，我们对技术的依赖变得更加明显。

在电子设备扩展中发挥着重要作用的因素之一是它们的尺寸，更具体地说，是它们的便携性。当随时随地，我们需要小型设备，无论我们在哪里都可以轻松携带连接，而在家里较小的设备则具有从一个房间搬到另一个房间的优势。然而，大小必须永远不会损害设备的性能，因此技术必须找到可以同时改进两个方面的方法。小型，轻巧，灵活，灵活，功能强大的手机，笔记本电脑，平板电脑等设备都有很高的需求，不仅在我们的口袋和家庭中，而且还用于航空航天技术，医疗应用，军事和安全部门。

然而，缩小电子设备的大小，甚至增强，它们的性能并不容易任务。允许设备运行的小电气开关称为晶体管，通常由硅制成。今天制造的最小晶体管仅为大约70纳米，一个纳米相当于0.000000001米。换句话说，迄今为止最小的晶体管仅为大约700硅原子。

每个单独的晶体管越小，我们就可以将更多的晶体管封装到集成电路中，从而产生更快、更小的设备。集成电路中所能容纳的晶体管数量每两年就会翻一番，这一趋势自上世纪70年代以来一直如此，以至于被称为“摩尔定律”。但是，随着晶体管的尺寸迅速接近单个硅原子的大小，我们很快就会达到晶体管变得太小而无法工作的极限，这将设定晶体管及其器件的最小限度。

为了进一步缩小电子设备和降低能源消耗，半导体行业现在正在转向1D和2D材料。然而，制造商需要一种快速、准确的方法来在纳米尺度上裁剪这些脆弱的材料。此外，原子薄的石墨烯片除非其宽度缩小到只有几纳米，否则就不是半导体。多壁碳纳米管可以作为一个完美的电阻器，噪音极低。挑战在于它必须是精确的模式。
挑战低维纳米结构的极限

为了超越这种可伸缩性的限制，需要新的材料。碳纳米管、石墨烯和二维纳米结构是新一代电子学的主要候选材料。这种材料具有良好的导电性，根据原子在结构和尺寸上的精确排列，可以显示半导体或金属性质。这些纳米结构在化学上也很稳定，非常坚固和坚硬，使它们成为强大和多功能设备的良好候选。

目前在纳米材料上引入图案结构的方法并不适用于碳纳米管片，这阻碍了它们在未来电子学中的广泛应用。

通过提供原子薄的、纳米级的结构，仍然保证优越的电子传输，这些纳米结构为电子和光学技术提供了令人兴奋的机会，可以启动下一代电子设备。碳纳米管和石墨烯良好的导热性也可以使它们在处理小型器件产生的热量方面发挥作用。碳纳米管和石墨烯的应用已经被证明在柔性电路、低成本显示器和各种传感器中是有用的，因此将它们的应用扩展到其他新的电子设备中是非常有趣的。

碳纳米管通常是在连续排列的纳米管“森林”中制造的。这种“森林”材料是一种完美的黑体——它完全吸收与它相互作用的所有光线——这一特性在各种应用中都有很高的需求，比如校准太空望远镜或将光线导入血糖传感器。虽然碳纳米管片本身可以用于电路，但有图案的结构对某些技术应用通常是有益的，甚至是必需的。例如，对于导电透明薄膜，需要在触摸屏上绘制小型微衬垫，而许多其他应用需要将碳纳米管绘制成精确的网络。然而，目前在纳米材料上引入图案结构的方法并不适用于碳纳米管片，这阻碍了碳纳米管片在未来电子学中的广泛应用。为了解决这一挑战，Ali Aliev和Ray Baughman开发了一种非接触干态模式技术。

纳米材料的电子发射
Ali Aliev and Ray Baughman在达拉斯德克萨斯大学的Alan G. MacDiarmid Nanotech Institute的Instinute开发了一种非接触技术，将图案引入碳纳米管板上以及其他导电材料。而不是将物质图案绘制或印刷到表面上，Aliev和Baughman的技术占据了一片碳纳米管和“划痕”（通过电子发射，而不是物理接触）以创建图案。由于这是一种干型技术，因此不需要进行任何湿化学，避免使用刺激性溶剂，并且还降低了最终产物中的污染物的机会。

他们的方法为碳纳米管在电子和光学器件中的应用提供了一条很有前景的途径。

在杂志最近发表的一篇文章中纳米技术,阿里·阿利耶夫和雷·鲍曼更详细地介绍了这项技术。弯曲半径只有50-80纳米的钨丝尖端与碳纳米管片非常接近，只有20 - 30纳米的距离，但从未真正接触表面。钨丝只加25- 30v的电压，其极性可以是正的，也可以是负的。在纳米尺度的导电物体上的场定位增强了电子发射，然后通过钨丝和碳纳米管片之间的大气气体发生。在如此近的距离下，钨尖和物体之间只有很少的空气分子。这使得电子可以通过位于纳米尺度物体上的电场加速，这意味着电子发射可以在正常的环境压力下进行，避免了电子发射技术通常需要的高真空环境。发射出的电子与碳纳米管相互作用，并分解钨丝周围的碳纳米管，产生约200 nm的间隙，精度为20 nm或更低。图案的精度受到钨丝锐度的限制，因此，事实上，这种精度可以进一步提高到大约10纳米。

对施加在钨丝上的电压进行微调，可以细化所获得的结果，而选择正钨头还是负钨头取决于具体的应用。例如，钨尖的正极可以产生干净且精确的纳米结构材料，而负极可以快速切割而不形成碎屑。一般来说，这种精细的技术允许每秒在导电材料上绘制10厘米纳米级的精确图案。

在对碳纳米管片进行了成功的概念验证研究后，作者还在其他导电纳米结构上测试了他们的技术。他们的出版物报告了通过电子发射成功地在二维和三维结构中绘制图形的结果，即石墨烯、石墨烯海绵和MXenes, MXenes是一种由过渡金属碳化物、氮化物或碳氮化物原子层组成的材料。因此，所报道的干模式技术是非常通用的，作者报告了使用它来制造多电极传感器，光子晶体和各种电子元件。

由Aliev和Baughman开发的干模式电子发射技术允许制造精确的纳米结构导电材料，这在很大程度上不含污染物或结构缺陷。他们的方法为碳纳米管在电子和光学器件中的应用提供了一条很有前景的途径。碳纳米管应用的扩展反过来可以促进技术的扩展，这将推动我们目前的极限，并允许我们继续在更小的电子足迹中封装更多的计算能力。