【复材信息】碳纳米管，再发Science！

04-02 10:42

选题背景

近日，上海交通大学史志文教授、武汉大学欧阳稳根教授、浙江大学金传洪教授、中国科学院物理研究所张广宇教授在Science期刊上发表了题为“Homochiral carbon nanotube van der Waals crystals"研究论文，并以First为基础。提前在线发布Release的方法。本研究提出了一种全新的碳纳米管阵型制备技术，成功实现了单手平行密排碳纳米管阵型的直接生长，首次获得了碳纳米管范德华晶体结构，展示了这些碳纳米管阵型在生产高性能场效应晶体管中的作用。（FET）装置的应用潜力。

碳纳米管是碳材料家族的重要成员之一，具有极佳的电子性能。可视为一维管状结构，由石墨烯卷曲而成，直径仅为1纳米，是目前已知较细的材料。自1991年首次被发现以来，碳纳米管的电子迁移率远高于传统硅基材料，因此成为制造更快、更小、更节能晶体管的理想选择，具有巨大的潜力推动下一代计算机芯片的创新。

但是，碳纳米管在集成电路中的应用面临着诸多挑战。为了提高设备的一致性和功能性，在实际应用中需要大量结构完全相同的半导体碳纳米管，以高度有序的方式排列。但在传统的碳纳米管直接生长方式中，由于手性结构的随机性，三分之一的碳纳米管体现为金属性，三分之二体现为半导体性，排列方向往往杂乱无章，严重制约了其在集成电路中的应用。

面对这一挑战，上海交通大学史志文教授团队与武汉大学欧阳稳根教授团队、浙江大学金传洪教授团队、中国科学院物理研究所张广宇教授团队合作，提出了一项新的移动自组装生长技术，成功实现了六方氮化硼，原子级平整（hBN）单手平行密排的碳纳米管阵型直接生长在基础上，构成了碳纳米管范德华晶体的完美结构。

化学气相通过纳米颗粒催化沉积。（CVD）在生长技术方面，研究团队获得的所有碳纳米管阵型都由相同的手工碳纳米管组成，这些碳纳米管相互平行，排列紧密，间隔固定在0.33纳米。理论分析表明，这种完美阵型结构的形成来源于碳纳米管与六方氮化硼基底之间的超润化摩擦特性和范德华在碳纳米管之间的相互作用。碳纳米管在生长过程中可自由滚动，找出最低能量结构，最终通过自组装形成范德华晶体结构。

得益于碳纳米管阵型的单手和平行密排结构类型，基于这些碳纳米管阵型制造的场效晶体管具有优异的电气性能。主要表现为载流子迁移率接近200000 cm⊃2;/V·s，超过6.5.5的电流承载能力 mA/μm，开关比率可以达到107，这些性能参数不仅超过了过去的研究成果，而且优于硅基电路发展路线图对未来几年的预期效果。特别是开态电流的承载能力大大超过了采用其它方法制备的碳纳米管阵型晶体管。

这类优良的设备性能显示出单手密排碳纳米管阵型在未来高性能碳基纳米电子芯片中的巨大应用潜力。

研究亮点

1.试验首次实现了单手平行密排碳纳米管阵型的直接生长，成功获得了碳纳米管范德华晶体结构。通过创新的移动自组装生长技术，研究团队在六方氮化硼基上实现了单手碳纳米管阵型，排列一致性极高。

通过纳米颗粒催化的化学气相沉积试验（CVD）技术，碳纳米管阵型的成功生长，获得的碳纳米管阵型全部由同一手碳纳米管组成，这些碳纳米管在基础上排列紧密，间隔固定为0.33纳米。通过理论分析，研究揭示了该阵型的自组装机制。这种结构的形成是由范德华在碳纳米管之间的相互作用和基底的超润化摩擦特性共同推动的。

测试基于这些碳纳米管阵型的场效晶体管是通过制造的。（FET）该设备显示出其优异的电学性能，包括接近20000的载流子迁移率。 cm⊃2;/V·s，超过6.5.5的电流承载能力 mA/μm，开关比率可以达到107。在硅基电路发展路线图中，这些指标不仅超过了过去的研究成果，而且比未来几年的预期效果更好。

图文解读