美国用碳元素研制或改良晶体管
（一）用石墨烯开发或改良晶体管
1．以石墨烯为原料研制新型晶体管
⑴研制出开关频率提高千倍的石墨烯晶体管。2011年2月，美国南安普敦大学纳米研究小组的扎卡里亚·摩卡塔德博士，在《电子快报》杂志上发表研究成果称，他使用世界上最纤薄的材料石墨烯研制出一种晶体管，新晶体管拥有创纪录的开关性能，将开关频率提高1000多倍，这使得它可以广泛应用于未来的电子设备和计算机中，使其功能更强，性能更优异。
摩卡塔德把石墨烯设置成二维的蜂巢结构，并由此研发出该石墨烯场效应晶体管，该晶体管拥有一个独特的管道结构。
该校电子和计算机科学系主任哈维·鲁特表示：“这是一个重要的突破，它对下一代计算机、通讯和电子设备的研发，具有重要意义。借此，我们可以超越目前已有的互补金属氧化物半导体技术，研发出更加高级的晶体管。将几何形状引入石墨烯管道内是一个新想法，该方法在让石墨烯场效应晶体管保持结构简单的同时，获得卓越的性能，因此，可以很容易实现商业化生产。”
摩卡塔德现正在进行更进一步的研究，以了解致使电流在该石墨烯晶体管管道内，停止流动的机制。
⑵开发出具有卓越稳定性的石墨烯晶体管。2011年4月8日，IBM公司电子专家林育明等人组成的研究小组，在《自然》杂志撰文指出，他们研发出新的石墨烯晶体管，其频率为155GHz（吉赫），比2010年2月推出的100GHz石墨烯晶体管的速度增加了50%，而且体积更小。
石墨烯是只有一个碳原子厚度的单层片状结构，可由石墨剥离而成。石墨烯不仅是已知材料中最薄的一种，还非常牢固坚硬。作为单质，它在室温下传递电子的速度，比已知导体都快，因此，它有望替代硅作为顶级电子材料来制备速度更快的晶体管。
以前，研究人员通过将石墨烯薄层，置于一个绝缘衬底（诸如二氧化硅）的上方，来制造石墨烯设备，然而，这种衬底会削弱石墨烯的电学性能。现在，IBM公司的研究人员找到新办法，将衬底对石墨烯电学性能的影响减至最低。
研究人员把一个“类金刚石碳”放置在一个硅晶圆衬底上，制备出新的石墨烯晶体管。这种“类金刚石碳”是无极性介质，也不会像二氧化硅那样捕获或驱散电荷，因此，新石墨烯晶体管在温度发生改变时，包括像太空中那样的极低温度下，显示出卓越的稳定性。
IBM表示，这种新的高频石墨烯晶体管，将在手机、互联网或雷达等通讯设备领域，大展拳脚。而且，现有的制备标准硅设备的技术，也可以用于制造新的晶体管。这意味着，新石墨烯晶体管，可以随时进行商业化生产。
该晶体管的研制，是IBM承接的美国国防部高级研究计划局的一项任务的一部分，美国军方希望该研究能有助于他们研发出高性能的无线调频晶体管。
2．用石墨烯为原料改良原有晶体管
借助石墨烯实现原有氮化镓晶体管大幅降温。2012年年5月8日，美国加州大学河滨分校伯恩斯工程学院，电子工程学教授亚历山大·巴兰金领导的一个研究小组，在《自然·通讯》杂志上发表研究成果称，他们开发出一种新技术，可借助石墨烯实现大功率氮化镓晶体管的大幅降温，解决在交通信号灯和电动汽车中使用的半导体材料散热问题。
自20世纪90年代以来，半导体材料氮化镓（GaN）就被用于强光的制造，并因为高效和可耐高电压工作而被用于无线设备中。然而就像所有大功率操作设备一样，氮化镓晶体管会散发出相当多的热量，需要对其快速而有效的移除。研究人员已尝试过倒焊芯片和复合基底等多种热量管理途径，但效果都不理想。如何为这些设备降温仍困扰着学界，氮化镓电子工业的市场份额和应用范围，也因为难以散热而受到限制。
基于纳米设备实验室开发的新技术，将使这一情况得到改善。研究小组在进行微拉曼光谱温度测量时发现，通过引入由多层石墨烯制成的交替散热通道，能使在高功率运转情况下的氮化镓晶体管中的热点降低20℃，并将相关设备的寿命延长10倍。
巴兰金表示，这代表热量管理领域的变革性进展。与金属或半导体薄膜不同，多层石墨烯即使在自身厚度仅为数纳米时，也能保持良好的热力性质，这使它们成为制造侧面导热片和连接线的极佳备选。研究人员在氮化镓晶体管上，设计并构建石墨烯“被子”，使其能从热点处移除和传导热量。计算机模拟则显示，采用热阻更强的基底，能使石墨烯“被子”更好地在氮化镓晶体管上发挥作用。
（二）用碳材料研制新型晶体管
1．通过碳材料加塑料研制新型晶体管
⑴用碳素分子和塑料研制出有机薄膜晶体管。2014年1月8日，美国斯坦福大学化学工程学教授鲍哲南和内布拉斯加林肯大学机械和材料工程学助理教授黄劲松领导的研究团队，在出版的《自然·通信》杂志上发表论文称，他们制造出目前世界上运行最快的有机薄膜晶体管，证明该技术在制造高清显示设备，以及透明电子设备上的巨大潜力。
多年来，各国科学家一直试图用廉价的碳素分子和塑料，来制造性能接近硅技术的有机半导体，但鲜见突破性进展。此次，该研究团队革新传统生产技术，大幅提高有机薄膜晶体管的载流子迁移率，使其性能与昂贵的、基于硅技术的弧形显示器不相上下。
目前，制造有机薄膜晶体管的传统工艺是，先通过在旋转的盘片上滴落由碳素分子和互补塑料组成的特殊溶液，而后通过旋转作用力，让复合溶液均匀散布在盘片上形成薄膜。
现在，称为“偏心旋转涂布”技术的新工艺，对此进行了革新。研究人员加快了盘片的旋转速度，减少涂布面积并增加密度，将之前的大转盘换成了一块只有邮票大小的玻璃。相对于传统制造工艺，新方法单位面积上沉积的碳素分子浓度更高，极大地改善了薄膜晶体管的载流子迁移率，而这是衡量电荷通过晶体管速度的重要指标。
研究人员称，目前只是初步实验，因此还不能精确控制有机材料的涂布队列，实现均匀的载流子迁移率。但即便在这个阶段，新技术生产出的有机薄膜晶体管在性能上，也已远远超过了目前传统的有机半导体，达到了高端电子产品中使用的多晶硅材料水平。
鲍哲南表示，该技术的进一步改进，将有望为廉价、高性能透明电子设备的制造铺平道路。目前的实验所采用的载体是玻璃，之后将逐渐过渡到柔性塑料。现在，他们已经能够制造出肉眼可视透明度为90%的高性能有机薄膜晶体管。
⑵用碳纳米管和薄膜研制出可拉伸的晶体管。2017年1月，美国斯坦福大学化学工程系教授鲍哲楠主持，博士后徐洁和王思泓为主要成员的研究小组，在《科学》杂志上发表论文称，他们近日用碳纳米管和薄膜研制出一种可拉伸晶体管，即便被拉伸至原有两倍长度，其导电性也只有极微小下降。现有坚硬的可穿戴电子产品，有望因此变得像人的皮肤一样柔软富有弹性，甚至可以成为具有功能性的人体“第二层皮肤”。
研究人员表示，此前设计一种能在被拉伸时维持导电性的晶体管颇为困难。他们巧妙设计出一种溶液涂膜法，将半导体高分子受限在橡胶聚合物包裹的纳米纤维中，从而制备出弹性半导体薄膜。
测试显示，在被拉伸至原来长度的两倍时，该薄膜的导电性仅下降了6%，100个拉伸周期后，薄膜并未出现明显的裂缝。用这种碳纳米管和薄膜作为电极制成的可拉伸晶体管，能贴在人手指关节皮肤处，在手指来回弯曲时，该晶体管的导电性保持稳定。
研究人员说，由于可拉伸晶体管具有与人体皮肤一样的力学属性，未来可穿戴电子产品将能服帖于皮肤，除了最大程度地降低穿戴不适感外，还能更准确地实时监控脉搏、血压、体温等人体信号，成为具有功能性的人体“第二层皮肤”。在医疗领域，可使植入式医疗器件变得柔软有弹性，极大降低对人体带来的侵入损害和排异性反应，同时显著增加生物信号采集和原位治疗的位点密度和准确性。
2．以碳纳米管加石墨烯研制新型晶体管
用碳纳米管和石墨烯纳米带研制出高效全碳晶体管。2017年6月7日，美国得克萨斯大学达拉斯校区一个研究小组，近日在《自然·通讯》杂志上发表研究成果，提出一种完全用碳制成运算元件的设计方案，在此基础上可能制造出更小、效率更高的新型晶体管，取代目前的硅晶体管，从而大大提升计算机性能。
由于硅基半导体发展面临瓶颈，研究人员正积极研究替代方案，例如以电子的自旋属性为基础，用碳纳米管和石墨烯等材料制造集成电路的基本运算组件——逻辑门。
该研究小组提出一种全碳自旋元件设计方案，能够实现级联效果，而且能在没有物理接触的情形下“无线”传递信号。
这个方案使用了碳纳米管和石墨烯纳米带两种碳材料，后者指宽度小于50纳米的石墨烯条带。电子流经碳纳米管形成电流，电流产生磁场，影响附近的石墨烯纳米带里的电流，实现多个逻辑门之间的级联。
研究人员认为，由于石墨烯纳米带之间的通信是由电磁波进行的，不像硅半导体那样通过电子流动实现，通信速度会快得多，时钟频率有可能达到太赫兹(每秒一万亿次)的级别，这比当前主流计算机快1000倍。另外，新元件能打破硅晶体管无法超越的极限，实现小得多的尺寸。报道称，这个设计方案仍处于蓝图阶段，研究人员计划下一步制造出原型器件，检验其效率。
