清华大学魏飞教授团队突破碳纳米管纤维制备难题，创晶体管输出电流新纪录

清华大学魏飞教授团队突破碳纳米管纤维制备难题，创晶体管输出电流新纪录

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https://www.sohu.com/a/785729838_121119270

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http://www.imr.cas.cn/xwzx/kydt/202407/t20240724_7235029.html

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http://www.sinanonc.cn/news/295.html

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https://www.tsinghua.edu.cn/info/1175/113579.htm

近日，清华大学化学工程系魏飞教授研究组在碳纳米管领域取得重大突破。他们首次实现了将全同手性、宏观长度的单根超长碳纳米管缠绕成大面积线团，这一创新性成果为制备高密度、手性一致的碳纳米管开辟了新途径，有望推动碳基电子器件的发展。

研究背景与挑战

随着可移动智能设备、云存储和大数据处理的广泛应用，信息产业对更快、更节能的半导体材料提出了更高要求。碳纳米管因其优异的电学性能，被视为取代硅的下一代碳基集成电路核心材料。然而，制备高性能碳纳米管晶体管面临两大关键挑战：一是如何获得手性一致、高密度的碳纳米管材料；二是如何实现单一颜色、相同手性的碳纳米管粉体的规模化制备。IBM曾提出，要实现基于碳纳米管的高性能电子器件，其半导体纯度需达到99.9999%，密度应达到125根每微米。

创新性研究方法

魏飞教授团队采用了一种创新的声波辅助组装技术。他们首先制备出分米级长度、直径仅为2纳米的超长碳纳米管。然后，通过向稳定的层流生长体系中引入低频声波，使漂浮的超长碳纳米管在涡流作用下自发缠绕成平方毫米级面积的线团。研究发现，线团的尺度与施加声波的频率和气速密切相关，这一过程可以用自然界中描述鱼摆尾或鸟挥翅产生推进力的斯特鲁哈尔数模型来解释，且遵循最小能量耗散机制。

突破性成果

制备出的碳纳米管线团具有全同手性结构，在超连续激光激发下呈现单一颜色。基于这种单色碳纳米管线团制作的晶体管器件展现出优异性能：开关比达到103~106，输出电流高达4.4毫安，创下目前基于单根碳纳米管制作的晶体管器件最高输出电流记录。

应用前景与意义

这一突破性成果不仅解决了碳纳米管在高端电子产品及柔性电子器件应用中的关键难题，更为实现碳纳米管在新一代半导体材料中的广泛应用提供了可行的技术路线。与北京大学团队在碳纳米管纤维强度方面的研究相比，魏飞教授团队的工作更侧重于解决碳纳米管在电子器件应用中的核心问题，即手性一致性和高密度制备。

这一研究成果已发表在国际权威期刊《科学-进展》（Science Advances）上，审稿人评价称：“论文作者取得了一个具有里程碑意义的突破性进展。”该研究得到了国家自然科学基金委员会和国家重大研究发展计划的资助，展现了我国在碳纳米材料研究领域的持续创新实力。