研究背景
近日，上海交通大學(xué)史志文教授、武漢大學(xué)歐陽(yáng)穩(wěn)根教授、浙江大學(xué)金傳洪教授、中科院物理所張廣宇教授合作在Science期刊上發(fā)表了題為“Homochiral carbon nanotube van der Waals crystals”的研究論文，且該論文以First Release的形式提前在線發(fā)布。這項(xiàng)研究提出了一種全新的碳納米管陣列制備方法，成功實(shí)現(xiàn)了單一手性平行密排碳納米管陣列的直接生長(zhǎng)，首次獲得了碳納米管范德華晶體結(jié)構(gòu)，并展示了這些碳納米管陣列在制造高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）器件中的應(yīng)用潛力。碳納米管是碳材料家族中的重要成員之一，具有非常優(yōu)異的電子性能。它可以看作是由石墨烯卷曲而成的一維管狀結(jié)構(gòu)，直徑僅為1納米，是目前已知最細(xì)的材料。自1991年首次被發(fā)現(xiàn)以來，碳納米管憑借其極高的電子遷移率，比傳統(tǒng)的硅基材料要高得多，因此成為制造更快、更小、更節(jié)能晶體管的理想選擇，具有推動(dòng)下一代計(jì)算機(jī)芯片革新的巨大潛力。 然而，碳納米管在集成電路中的應(yīng)用面臨著諸多挑戰(zhàn)。為提高器件的一致性和功能性，實(shí)際應(yīng)用中需要大量結(jié)構(gòu)完全相同的半導(dǎo)體性碳納米管，以高度有序的方式排列。然而，傳統(tǒng)的碳納米管直接生長(zhǎng)方法中，由于手性結(jié)構(gòu)的隨機(jī)性，1/3的碳納米管表現(xiàn)為金屬性，2/3表現(xiàn)為半導(dǎo)體性，而且排列方向也常常雜亂無(wú)章，嚴(yán)重制約了其在集成電路中的應(yīng)用。面對(duì)這一挑戰(zhàn)，上海交通大學(xué)史志文教授團(tuán)隊(duì)與武漢大學(xué)歐陽(yáng)穩(wěn)根教授團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)金傳洪教授團(tuán)隊(duì)以及中科院物理所張廣宇教授團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種新的滑移自組裝生長(zhǎng)技術(shù)，成功實(shí)現(xiàn)了在原子級(jí)平整的六方氮化硼（hBN）基底上直接生長(zhǎng)單一手性平行密排的碳納米管陣列，形成了碳納米管范德華晶體這一完美結(jié)構(gòu)。通過納米顆粒催化的化學(xué)氣相沉積（CVD）生長(zhǎng)技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)獲得的碳納米管陣列全部由同一手性的碳納米管組成，且這些碳納米管相互平行、緊密排列，間距固定為0.33納米。理論分析表明，這一完美陣列結(jié)構(gòu)的形成源自于碳納米管與六方氮化硼基底之間的超潤(rùn)滑摩擦特性以及碳納米管之間的范德華相互作用。在生長(zhǎng)過程中，碳納米管可以在基底上自由滑動(dòng)，找到最低能量構(gòu)型，最終通過自組裝形成范德華晶體結(jié)構(gòu)。得益于碳納米管陣列的單一手性和平行密排結(jié)構(gòu)特征，基于這些碳納米管陣列制造的場(chǎng)效應(yīng)晶體管展現(xiàn)出了優(yōu)異的電學(xué)性能。具體表現(xiàn)為載流子遷移率接近2000 cm2/V·s，電流承載能力大于6.5 mA/μm，開關(guān)比可達(dá)到107，這些性能指標(biāo)不僅超越了以往的研究成果，也優(yōu)于硅基電路發(fā)展路線圖中對(duì)未來數(shù)年的預(yù)期目標(biāo)。特別是開態(tài)電流承載能力大幅超越了采用其他方法制備的碳納米管陣列晶體管。 這些卓越的器件性能展示了所制備的單一手性密排碳納米管陣列在未來高性能碳基納米電子芯片中的巨大應(yīng)用潛力。
研究亮點(diǎn)
1.實(shí)驗(yàn)首次實(shí)現(xiàn)單一手性平行密排碳納米管陣列的直接生長(zhǎng)，成功獲得了碳納米管范德華晶體結(jié)構(gòu)。研究團(tuán)隊(duì)通過創(chuàng)新的滑移自組裝生長(zhǎng)技術(shù)，在六方氮化硼基底上實(shí)現(xiàn)了具有單一手性的碳納米管陣列，這一結(jié)構(gòu)具備了高度的排列一致性。2.實(shí)驗(yàn)通過納米顆粒催化的化學(xué)氣相沉積（CVD）技術(shù)，成功生長(zhǎng)了碳納米管陣列，所得到的碳納米管陣列完全由同一手性碳納米管組成，且這些碳納米管在基底上緊密排列，間距固定為0.33納米。研究通過理論分析揭示了該陣列的自組裝機(jī)制，碳納米管間的范德華相互作用和基底的超潤(rùn)滑摩擦特性共同推動(dòng)了這一結(jié)構(gòu)的形成。3.實(shí)驗(yàn)通過制造基于這些碳納米管陣列的場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）器件，展示了其優(yōu)異的電學(xué)性能，包括載流子遷移率接近2000 cm2/V·s，電流承載能力大于6.5 mA/μm，開關(guān)比可達(dá)到107。這些指標(biāo)不僅超越了以往的研究成果，也優(yōu)于硅基電路發(fā)展路線圖中對(duì)未來數(shù)年的預(yù)期目標(biāo)。
圖文解讀
圖1：緊密排列的SWNT二維陣列結(jié)構(gòu)。圖3：SWNT-vdW晶體的生長(zhǎng)機(jī)理。圖4：同手性SWNT陣列FET的電學(xué)性能。
結(jié)論展望
本研究報(bào)告了均勻手性、高度對(duì)齊且具有卓越電學(xué)性能的緊密排列單壁碳納米管陣列的發(fā)現(xiàn)。這些結(jié)果標(biāo)志著單壁碳納米管在納米電子器件和電路中的實(shí)際應(yīng)用邁出了重要一步。本研究中提出的生長(zhǎng)機(jī)制為制造復(fù)雜納米結(jié)構(gòu)提供了一種方法，尤其是在開發(fā)新的范德華材料方面具有重要意義。Zhichun Zhang et al. ,Homochiral carbon nanotube van der Waals crystals.Science0,eadu1756DOI:10.1126/science.adu1756
