一個了不起的概念驗證項目利用一種快速、廉價的新生產技術成功製造出了奈米級二極體和晶體管，在這種技術中，液態金屬被引導自組裝成精確的三維結構。在《材料地平線》（Materials Horizo​​​​ns）雜誌即將發表的一項經同行評審的研究中，北卡羅來納州立大學（North Carolina State University）的一個研究小組概述並演示了使用銦、鉍和錫合金（即菲爾德金屬）的新方法。

一種新的製造技術成功地在奈米尺度上”自組裝”了晶體管、二極管和導線Julia Chang/北卡羅來納州立大學

研究人員說，液態金屬被放置在一個模具旁，可以製成任何尺寸或形狀。 當它暴露在氧氣中時，金屬表面會形成一層薄薄的氧化層。 然後，將含有負電荷配體分子的液體倒在其上，這些配體分子的作用是將單個金屬原子從氧化層上吸附下來，成為帶正電荷的離子，並與它們結合在一起。

當配體溶液在毛細作用的驅動下開始流經模具中的通道時，它就會把這些構件一起拉過去。 在毛細管作用的驅動下，配體溶液開始流經模具中的通道，並將這些積木拉入其中。從本質上講，模具使積木排列成有序的結構，就像電線一樣，並相互粘連在一起。

閉合通道模具比開放通道模具能產生更一致的最終結構Julia Chang/北卡羅來納州立大學

“通訊作者、北卡羅來納州立大學材料科學與工程學教授馬丁-修（Martin Thuo）說：”如果沒有模具，這些結構可能會形成有些混亂的圖案。 “但由於溶液受到模具的限制，結構形成了可預測的對稱陣列。

一切就緒後，配體溶液的液態部分開始蒸發，使配體和金屬離子在其通道中更加緊密地擠壓在一起。 然後取下模具，將最終形狀緩慢加熱至600 °C 左右，並保持一小時。這個加熱過程提供了足夠的能量來打破將配體分子連接在一起的化學鍵，從而釋放出碳和氧原子。

氧原子立即與金屬離子結合，形成半導體金屬氧化物，這些氧化物在燒結過程中會相互融合，形成導線。 同時，碳原子組織成石墨烯，石墨烯整齊地包裹在金屬絲周圍，提高了金屬絲的導電性，保護金屬絲不受潮濕或進一步氧化的影響。

兩層網格截面的掃描電子顯微鏡影像，突出顯示各層之間的接觸點Julia Chang/北卡羅來納州立大學

研究人員證明，他們還可以利用這些石墨烯層來調整所導線的電氣和光電特性。論文第一作者、北卡羅來納州立大學博士後研究員朱莉婭-張（Julia Chang）說：”石墨烯薄片可以用來調整半導體的帶隙，使半導體的響應速度或大或小，這取決於石墨烯的質量。

儘管加熱過程會導致”嚴重的體積收縮”，但由此產生的導線仍然是連續的，不會斷裂。

Thuo說：”簡而言之，我們已經證明，我們可以自組裝高度結構化、高度可調的電子材料，用於功能電子裝置。這項工作展示了晶體管和二極管的製造。下一步是利用這種技術製造更複雜的設備，如三維晶片。

掃描電子顯微鏡影像顯示人造金屬中的複雜形狀和圖案Julia Chang/北卡羅來納州立大學

該團隊表示，這項技術為製造電腦晶片提供了一種更快、更便宜、更可靠的方法。 “Thuo 說：”現有的晶片製造技術涉及許多步驟，並依賴極其複雜的技術，因此成本高昂，耗時長。 “我們的自組裝方法速度更快，成本更低。我們也證明，我們可以利用這種製程調整半導體材料的帶隙，並使材料對光做出反應–這意味著這種技術可以用來製造光電設備。

“更重要的是，目前的製造技術良品率低，這意味著它們會產生相對較多的無法使用的有問題晶片。我們的方法產量高，這意味著陣列生產更穩定，浪費更少。”

這是一件非常了不起的作品，但在電子產品領域，尺寸是關鍵。 請快速瀏覽下面這段精彩視頻，了解現代CPU 晶片中的”電線”需要多麼細小。

台灣台積電（TSMC）等製造商所採用的最先進的生產技術可以生產出最小尺寸為3 奈米（約15 個矽原子的寬度）的特徵。 這種大規模製造如此接近單一矽原子的尺度絕對令人吃驚，但尺寸越小，生產的晶片速度越快，效率越高。

那麼，這種”自組裝”技術又是如何做到的呢？ 在已發表的研究中，研究人員成功地製造了從1000 奈米到44 奈米的金屬絲。

研究中製作的最細導線寬度僅44奈米Julia Chang/北卡羅來納州立大學

這真是令人難以置信；這是一種真正的奈米級製造技術，它比當今最好的方法更快、更便宜、更可靠，儘管它在原子級最終分辨率方面還無法與之抗衡。 目前還不清楚D-Met 技術是否能適用於較小的尺度–但研究團隊相信它完全有能力擴大大規模生產。

該論文在《Materials Horizo​​​​ns》雜誌上公開發表，並經過同儕審查。