清华北大联手攻克碳纳米管制备难题,实现批量生产新突破
清华北大联手攻克碳纳米管制备难题,实现批量生产新突破
清华大学与北京大学在碳纳米管制备领域取得重大突破。清华大学化学工程系魏飞教授研究组联合北京大学团队,创新性地开发出一种新型制备技术,成功实现了单色碳纳米管线团的批量生产。这一突破有望推动碳纳米管在高端电子产品及柔性电子器件中的应用,为我国在下一代半导体材料领域赢得先机。
研究背景:信息产业发展的迫切需求
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、成为下一代碳基集成电路核心材料的理想选择。然而,如何制备大量手性一致、高密度的碳纳米管材料,一直是制约其规模化应用的关键难题。
核心突破:超长碳纳米管线团的创新制备
魏飞教授团队基于化学气相沉积(CVD)法,开发出一种独特的原位缠绕技术。他们首先制备出分米级长度、2纳米直径的超长碳纳米管,然后通过低频声波诱导,使这些超长碳纳米管在层流生长体系中自发卷绕成线团。这种线团具有全同手性结构,且尺寸可达平方毫米级。
研究团队发现,线团的尺度与施加声波的频率和气速密切相关,这一过程符合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。这种自发组装过程遵循最小能量耗散机制,为制备高密度、手性一致的碳纳米管提供了一条全新路线。
应用前景:电子器件领域的重大潜力
基于这种单色碳纳米管线团,研究团队成功制备出高性能晶体管器件。实验结果显示,器件的开关比达到103~106,输出电流高达4.4毫安,创下目前基于单根碳纳米管晶体管的最高输出电流记录。这种高开关比与高输出电流兼备的特性,使其在新一代碳基电子器件领域展现出极大的应用潜力。
合作意义:提升我国国际竞争力
这一研究成果发表在国际权威期刊《科学-进展》上,不仅展示了我国在碳纳米管制备领域的技术实力,更为实现碳纳米管在高端电子产品及柔性电子器件中的应用提供了可行的技术路线。通过发挥我国在碳纳米材料研究方面的优势,有望打破芯片长期依赖进口的局面,为推动国家微电子行业发展开辟新路径。
该研究工作得到了国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金委及北京市科学技术委员会等项目的资助,体现了我国在前沿科技领域持续投入的决心。随着这一技术的进一步完善和产业化推进,碳纳米管有望在不久的将来实现大规模应用,为我国在下一代半导体材料竞争中占据有利地位。