近日，上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院史志文教授、梁齊教授與合作者在《Science》上發(fā)表題為“Homochiral carbon nanotube van der Waals crystals”的研究論文，論文以First Release的形式在Science網(wǎng)站提前在線發(fā)表。該研究開發(fā)了一種制備碳納米管陣列的全新方法，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)，首次得到了碳納米管范德華晶體結(jié)構(gòu)，并演示了所制備的碳納米管陣列可用于制造高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件。

圖1 Science論文首頁(yè)截圖

　　碳納米管是碳材料家族(包括金剛石、石墨烯、足球烯等)中的一員明星，于1991年首次被實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。碳納米管可以看成是由石墨烯卷曲而成的一維管子，直徑僅有1納米，是目前已知最細(xì)的材料。這種材料的電子遷移率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅基材料，為制造更快、更小、更節(jié)能的晶體管提供了可能，被視為未來電子器件的理想材料之一，有望推動(dòng)下一代計(jì)算機(jī)芯片的革新。

　　在實(shí)際芯片應(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在一起，以提高器件的一致性和功能性。然而，直接生長(zhǎng)的碳納米管手性結(jié)構(gòu)隨機(jī)，性質(zhì)極難控制，統(tǒng)計(jì)上有1/3的碳管表現(xiàn)出金屬性，2/3的碳管表現(xiàn)為半導(dǎo)體性，而且通常存在排列方向混亂的問題，嚴(yán)重制約了碳納米管在集成電路中的應(yīng)用。

圖2 碳納米管范德華晶體結(jié)構(gòu)示意圖

　　諾貝爾獎(jiǎng)得主Richard E. Smalley教授曾在2001年提出碳納米管研究領(lǐng)域的一個(gè)重要難題和研究目標(biāo)：如何制備出由單一手性碳納米管整齊平行緊密排列而成的晶體結(jié)構(gòu)?國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家都在嘗試攻克這一難題。然而，二十多年過去了，Smalley教授提出的目標(biāo)一直未能實(shí)現(xiàn)。

　　針對(duì)以上挑戰(zhàn)，上海交通大學(xué)史志文團(tuán)隊(duì)聯(lián)合武漢大學(xué)歐陽穩(wěn)根團(tuán)隊(duì)、浙江大學(xué)金傳洪團(tuán)隊(duì)和中科院物理所張廣宇團(tuán)隊(duì)，獨(dú)辟蹊徑開發(fā)出全新的滑移自組裝生長(zhǎng)技術(shù)，在原子級(jí)平整的六方氮化硼基底上實(shí)現(xiàn)了單一手性密排的碳納米管陣列的直接生長(zhǎng)，形成碳納米管范德華晶體這一完美結(jié)構(gòu)。

圖3 單一手性且平行密排的碳納米管陣列

　　碳納米管陣列晶體是通過一種納米顆粒催化的化學(xué)氣相沉積(CVD)生長(zhǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。實(shí)驗(yàn)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，生長(zhǎng)得到的碳納米管陣列均由同一手性的碳納米管組成，碳納米管之間相互平行、緊密排列，間距為固定的0.33 nm。理論分析揭示，這種近乎完美的陣列結(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)滑摩擦特性及碳納米管間的范德華相互作用：生長(zhǎng)出的碳納米管可以在基底上自由滑動(dòng)，找到能量更低的構(gòu)型，反復(fù)折疊排列在一起，并最終自組裝形成范德華晶體結(jié)構(gòu)。

圖4 碳納米管陣列晶體管器件的優(yōu)異性能

　　得益于碳納米管陣列單一手性和平行密排的結(jié)構(gòu)特征，基于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，載流子遷移率接近2,000 cm2V–1s–1，電流承載能力大于6.5mA/μm，開關(guān)比可達(dá)107，這些器件指標(biāo)不僅超越以往報(bào)道的結(jié)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)期指標(biāo)。特別地，開態(tài)電流承載能力大幅超越了相同加工精度下通過其它方法制備的碳納米管陣列晶體管。這些出色的器件性能展現(xiàn)出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應(yīng)用中的巨大潛力。

　　論文共同第一作者為上海交通大學(xué)物理與天文學(xué)院張智淳、陳一、沈沛約、陳佳俊博士、武漢大學(xué)王森和浙江大學(xué)汪博博士。共同通訊作者為史志文教授、梁齊教授、陳佳俊博士、中科院物理所張廣宇研究員、浙江大學(xué)金傳洪教授和武漢大學(xué)歐陽穩(wěn)根教授。論文合作者還包括上海交通大學(xué)賈金鋒教授、錢冬教授、王國(guó)華博士、馬賽群、周先亮、婁碩、吳正瀚、謝宇烽、張誠(chéng)嘉、王立果、李昊楠、徐琨淇博士、浙江大學(xué)王孝群教授、中科院物理所楊威研究員、日本國(guó)立材料研究所Kenji Watanabe教授和Takashi Taniguchi教授。本工作得到科技部、自然科學(xué)基金委的資助，在此深表感謝。

　　論文鏈接：

　　https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu1756