单一手性密排碳纳米管阵列制备取得突破 | 进展

中科院物理所

2025-03-23 18:00发布于北京中科院物理所官方账号

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碳纳米管于1991年首次被实验发现，其电子迁移率远超硅，被视为未来电子器件的理想沟道材料之一，有望推动下一代计算机芯片的革新。在实际芯片应用中，需要将大量结构完全相同的半导体性碳纳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性能。然而，直接生长的碳纳米管手性结构随机、金属性和半导体性混杂、排列混乱，严重制约了碳纳米管在集成电路中的应用。诺贝尔奖得主Richard E. Smalley教授曾在2001年提出碳纳米管研究领域的一个重要难题：如何制备由单一手性碳纳米管密排的晶体结构？然而，二十多年过去了，Smalley教授提出的目标一直未能实现。

针对以上挑战，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心N07课题组张广宇团队与上海交通大学史志文团队、武汉大学欧阳稳根团队、浙江大学金传洪团队通力合作，开发出一种全新的滑移自组装生长技术，在原子级平整的六方氮化硼基底上实现了单一手性密排的碳纳米管阵列的直接生长，形成碳纳米管范德华晶体这一完美结构。

图一：单一手性且平行密排碳纳米管阵列形成范德华晶体

碳纳米管晶体是通过一种纳米颗粒催化的化学气相沉积（CVD）生长技术实现的。实验得到的碳纳米管阵列均由同一手性的碳纳米管组成，碳纳米管之间相互平行、紧密排列，间距为0.33 nm。理论分析揭示，这种近乎完美的阵列结构的形成源自于碳纳米管与六方氮化硼基底之间的超滑特性及碳纳米管间的范德华相互作用。基于碳纳米管阵列制造的场效应晶体管展现出了优异的电学性能，载流子迁移率接近2,000 cm²V^–1s^–1，电流承载能力大于6.5mA/μm，开关比可达10⁷，这些指标不仅超越以往报道的结果，也优于硅基电路发展路线图中对未来数年的预期指标，展现了单一手性密排碳纳米管阵列晶体在未来高性能碳基纳米电子芯片中的巨大潜力。

相关成果在《Science》网站以First Release的形式提前在线发表。论文共同通讯作者为上海交通大学史志文教授、梁齐教授、陈佳俊博士、浙江大学金传洪教授和武汉大学欧阳稳根教授和中国科学院物理研究所张广宇研究员，中科院物理所杨威特聘研究员也参与了该研究工作。本工作受到科技部、国家自然科学基金委和中国科学院的资助。

编辑：千里雁啼

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