1998年，第一個基于碳納米管的晶體管問世（Nature 1998, 393, 49–52）。2016年，加州大學伯克利分校Ali Javey團隊基于直徑約1nm的單根碳納米管和二硫化鉬，成功展示了碳納米管作為晶體管柵電極的可行性（Science 2016, 354, 99-102）。2017年，北京大學彭練矛團隊研制出柵長約5nm的碳納米管器件，并發展了與較先進硅基CMOS工藝相適應的碳納米管CMOS工藝（Science 2017, 355, 271-276）。2019年，MIT的Max Shulaker團隊報道了一個完全由碳納米管溝道晶體管打造的16位中央處理器（Nature 2019, 572, 595–602）。2020年，北京大學張志勇-彭練矛課題組發展全新的提純和自組裝方法，制備了高密度高純半導體陣列碳納米管材料，并實現了性能超越同等柵長硅基CMOS技術的晶體管和電路，展現出碳管電子學的優勢。（Science 2020,368, 850-856）。同年，哈佛大學Peng Yin課題組與北京大學孫偉課題組利用DNA定向了碳納米管，并精準地控制了碳納米管的間距，為實現大面積、高集成度的碳基器件和電路提供了新的途經（Science 2020, 368, 874-877；Science 2020,368, 878-881）。20多年以來，全球科學家和工程師在碳納米管晶體管研究領域取得了許多重要進展。在場效應晶體管中，單根半導體性碳管可作為溝道，單根金屬性碳管可作為柵極，這對晶體管尺寸的進一步縮小提供了更豐富的手段和可能性。因此，在有關晶體管小型化的研究中，碳納米管被寄予厚望。今天，我們要介紹的是碳基器件和電路在商業化道路上存在的一個關鍵問題：碳納米管的定向可控組裝。相較于傳統的金屬電極，利用平行碳管間的范德華力形成的金屬性碳納米管束具有小尺寸，高密度和低電阻的優勢，將會是未來微電子技術中晶體管源漏材料和互連材料的理想候選。迄今為止，盡管研究者們在碳管的定向排列與組裝方法上投入了大量的精力，但高密度、高定向度的碳納米管束陣列的可控組裝仍未實現。第一作者：Yunfan Guo, Enzheng Shi, Jiadi Zhu;通訊作者：Enzheng Shi, Tomás Palacios, Anyuan Cao, Jing Kong.有鑒于此，麻省理工學院Jing Kong課題組、Tomás Palacios課題組，西湖大學師恩政課題組以及北京大學曹安源課題組提出了一種全新的碳納米管束水平定向組裝方法——“軟鎖抽絲”法，實現了具有高定向度的超潔凈碳管水平陣列的無損組裝，并將其用作高密度單層二硫化鉬（MoS2）晶體管中的納米源漏電極，展現出了高載流密度、低接觸電阻等優異性能，顯示出其在未來納米電子器件與先進集成技術應用中的巨大潛力。1.實現了高密度、高定向度的碳納米管束陣列的可控組裝。（不同于之前的單根碳納米管的定向組裝）2.實現了具有高載流能力的納米尺度源漏電極，展現了金屬性碳納米管在未來被用于極端尺寸晶體管電極和互連材料的可能性。3.解決了定向組裝碳納米管表面活性劑吸附的難題，表面潔凈，利于在二維材料晶體管中實現較低的接觸電阻。圖1. 由高度定向碳納米管束形成的二維材料晶體管納米電極示意圖研究者們提出了一種全新的定向組裝方法：“軟鎖抽絲”法，實現了碳納米管網絡薄膜由雜亂無序到高度有序的定向排列（圖2）。該方法巧妙地運用機械力的有效傳導，通過常用的剛性介質（由包裹有乙醇的尼龍膜保護）對單壁碳納米管進行簡單、快速、高效的定向。1）從雜亂隨機排列的碳納米管網絡中，將若干碳納米管用“軟鎖”（乙醇潤濕的軟尼龍膜）鎖住。2）然后，由剛性介質施加壓力沿著目標方向拉伸。由此，“軟鎖”里抓住的碳納米管從雜亂網絡中被抽出，并沿著拉伸軌跡在襯底上重新形成規整的定向陣列。乙醇在降低碳納米管軸向摩擦力的同時增加了徑向的阻力，使得碳管的運動在一定程度上可以很好地沿著運動介質的軌跡，類似于“貪吃蛇”或者飛馳的高鐵。從掃描電子顯微鏡SEM照片中可以清楚地看到，未定向的碳納米管網絡雜亂隨機堆疊，通過“軟鎖抽絲”法定向后，形成了高密度的定向排列碳納米管束陣列。圖2. “軟鎖抽絲”法示意圖及碳納米管定向效果SEM圖該水平定向碳納米管束陣列具有高定向準度（角度標準偏差為0.03～0.13°）、高堆積密度（～400/μm）和高電流承載力（～1.8×108 A/cm2），可用于定向長碳納米管（長度為300 μm～1 mm，長徑比＞200000），且組裝過程對碳納米管本身不造成損傷，（圖4）。更值得一提的是，在整個定向過程中不引入任何表面活性劑，且機械力的拉拽對未經純化的碳管有很好的清潔作用（定向的同時去除碳管表面的雜質，如無定形碳和催化劑等），這對于碳納米管在納米電子器件中的應用具有重要意義。圖4. 水平定向碳納米管束陣列的定向度，密度及載流能力表征
該方法所制備的水平超順排碳納米管束是一種很有前景的納米電極和互連線材料。研究者將其用為單層MoS2晶體管中的納米金屬引線（圖5），并制備了相應的晶體管陣列。該陣列中的晶體管表現為n型，開/關電流比約為105，開態電流為38 μA/μm，閾值電壓（VT）約為-33 V，具備較為良好的器件一致性。此外，由于碳納米管束與MoS2之間形成了潔凈的范德瓦爾斯接觸，避免了使用金屬電極時可能存在的費米釘扎現象，從而使得制備的晶體管具有較低接觸電阻（在測量器件中，最低接觸電阻為1.6 kΩ·μm，平均值約為2.1kΩ·μm）。同時，隨著晶體管特征尺寸的不斷縮小，傳統的金屬電極和互連線的導電能力會由于電子在金屬晶界和側壁的散射增強而明顯下降，寬度也會受到曝光工藝的限制。而碳納米管束不存在這些問題（碳基材料本身有很好的化學穩定性），并且可以通過縮小碳納米管束的寬度進一步縮小尺寸，直到達到單壁碳納米管的直徑。與傳統的金屬和其他碳基材料相比，水平超順排碳納米管束具有優異的載流能力（~1.8×108 A/cm2），這也是碳納米管電極和互連線在晶體管尺寸縮小過程中具備的另一重要優勢。圖5. 水平超順排碳納米管束陣列應用于高密度單層MoS2晶體管的納米級金屬引線本文報道的“軟鎖抽絲”方法，實現了具有高定向準度的碳納米管束水平陣列的無損組裝，并將其成功用作高密度單層MoS2晶體管的納米級金屬引線，展現出了高電流密度、低接觸電阻的優異性能，為未來納米電子學發展金屬和半導體低維納米材料的集成技術提供了新的思路。通過進一步的優化，金屬水平超定向碳納米管束可以作為大面積的邏輯和存儲器件的源/漏電極和互連線，并用于后道工藝（BEOL）集成或低維材料系統的3D集成。 Yunfan Guo et al. Soft-lock drawing of super-aligned carbon bundles for nanometer electrical contacts. Nature Nanotechnology 2022.https://www.nature.com/articles/s41565-021-01034-8
