自從第一個晶體管發明以來(1946 1947年間)，人類很快在固態電子領域找到各種應用。硅晶半導體堪稱是一個幸運且長壽的發明，在近代社會中，除了電燈、汽車和電話之外，很少有發明能對人類產生如此重大且深遠的影響。自從 1940 年末以來，人類開始倚賴晶體管至今，其情況是日益顯著而且“一日千里”。使用者不會察覺到，但是科學研究人員早就有先見之明，明了這種一日千里的需求，當然是對半導體工業極高的推崇，但是同時也是逼迫硅晶半導體科技早日走上絕路的推動力。當今的半導體產業協會(semiconductor industrial association)有一張科技藍圖，其中有一部分，預計在 5 10年內使用的技術至今仍屬空白，但其中應會有一半以上在這段時期內可以得到解決，另一部分則以取代方式或根本放棄原有想法而另外尋找思考方向來解決。這些科技解決方案的發展、來龍去脈可稱為20世紀末期延伸至21世紀初期科技發展的“伊利亞德”(長篇史詩)。

　　近日一則消息是關于ibm最近的發現，一種所謂納米碳管“carbon nano-tube”(簡稱 cnt)，不但具有半導體特性，而且具有比當前ic小 10,000 倍的尺寸。這對全球學術界、科技界及工業界造成了一股震撼。硅晶體電子組件，到了20世紀末的發展速度極為驚人，其集成電路的密度，每12個月即增加一倍左右，以這種驚人的速度，在未來10年、20年內，硅晶體組件將會到達其物理極限，屆時人類的電子科技是否將完全停頓？這似乎不太可能，因此固態物理學者盡其所能尋找硅晶體的取代物。ibm 最近所發展的納米碳管是屬碳族，在周期表上與硅 (silicon) 和鍺 (germanium) 為同一族，而其排列順序依次為碳 (c)、硅 (si)、鍺 (ge)、錫 (sn)、鉛 (pb)，而以碳原子居首位。

　　自從 20世紀80 年代，固態物理學系即對于將碳原子制成半導體組件充滿了興趣，因為碳原子與硅和鍺為同一族元素，化學特性上非常相近，而且在組件發展的最早期的歷史中，第一個晶體管是以鍺材料制成，但由于硅晶體具有多項比鍺晶體優異的特性，晶體管的材料在短短的一、兩年內，立即由鍺轉換成硅，繼而成為往后集成電路的主流，但是鍺并非一無是處。讀者或許注意到，最近幾年來發展非常快速的硅鍺 (sige) 合金組件已在先進國家成為另一支半導體組件新技術。sige 因 si 與 ge 之間存在能隙差 (energy band gap difference)，如果巧妙利用這種能隙差的關系，用非常精密的磊晶技術，將 si 和 ge 之間以相間的晶體層排列，則可以達到所謂的heterojunction bipolan transistor (hbt) 結構。具有這種結構的半導體組件，若設計得宜，可以用于高頻、超高頻或微波范圍內的信號放大器。目前 sige 的使用頻率應以藍牙(blue tooth)的2.5 ghz 標準為主流，未來應可達到更高頻的應用。半個世紀以來，硅晶體對于半導體的貢獻及應用是世人有目共睹的，而半個世紀之前的第一個晶體管是以鍺材料制成，若稱其為本世紀最重要的發明也不為過，該發明的三位科學家 bardeen、brattain 和 shocklery 共同分享了 1947年的諾貝爾物理獎。

　　到了21世紀的今天，當硅晶體對于集成電路的應用似乎已被推至極限時，sige 合金結構的實時推出，暫時緩和了技術上窮途末路的窘狀，與硅鍺居于同一族的碳自然成為各家考慮的焦點。碳 (carbon) 位居周期表第六元素，可具有多種面貌。炭黑 (carbon black)是一維空間長鏈型的碳結構。碳黑或有機碳源如甲烷 (ch4)或乙烷 (c2h2)，加熱至 800-900有可能轉化成石墨 (graphite)，此為六面體，具有二維空間的平面晶體結構，各平面之間只以凡德瓦蘭力結合，因此層與層之間非常容易剝落。石墨具有優良的金屬特性、屬優良導體，若非其層次結構，石墨的六角形實為非常堅強的晶體結構。除了炭黑以及石墨之外，碳原子的第三種結構即為其最有名的鉆石結構，這種結構是一種三維空間的立體結構，為至今全世界最堅硬的材料結構。鉆石中碳的 s 原子軌道與三個p軌道，結合而成一個復合的 sp3 立體結構，因此形成堅強的鍵結，而石墨之中 s 鍵結與兩個p鍵結合成 sp2 結構。而最重要的一點是，目前最重要的半導體材料——硅晶體所具有的是 sp3 的鉆石結構，因而固態物理學家最先想得到的是與硅晶體具有相同結構且為同一族的 sp3 鉆石晶體。鉆石與其它的兩種結構sp1的炭黑和 sp2 的石墨根本不同在哪里？在密度、在排列、在形成的條件。其中以 sp3 的鉆石密度最高，石墨次之，而炭黑居末；而形成的條件以炭黑最容易，石墨次之，必須在具控制條件的密閉容器中方可形成，鉆石最困難。有名的 general electric (ge) 在一千多度的高溫下加上數千個大氣壓，可以利用碳為原料合成工業用鉆石，這是因為碳的相圖(phase diagram) 顯示高溫、高壓有利于 sp2 的石墨結構轉化成 sp3 的鉆石結構，理論是如此顯示，而技