碳纳米管研究新突破：首次实现单一手性阵列生长

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碳纳米管研究新突破：首次实现单一手性阵列生长

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澎湃

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近日，上海交通大学史志文教授、武汉大学欧阳稳根教授、浙江大学金传洪教授、中科院物理所张广宇教授合作在Science期刊上发表了题为“Homochiral carbon nanotube van der Waals crystals”的研究论文，且该论文以First Release的形式提前在线发布。这项研究提出了一种全新的碳纳米管阵列制备方法，成功实现了单一手性平行密排碳纳米管阵列的直接生长，首次获得了碳纳米管范德华晶体结构，并展示了这些碳纳米管阵列在制造高性能场效应晶体管（FET）器件中的应用潜力。

碳纳米管是碳材料家族中的重要成员之一，具有非常优异的电子性能。它可以看作是由石墨烯卷曲而成的一维管状结构，直径仅为1纳米，是目前已知最细的材料。自1991年首次被发现以来，碳纳米管凭借其极高的电子迁移率，比传统的硅基材料要高得多，因此成为制造更快、更小、更节能晶体管的理想选择，具有推动下一代计算机芯片革新的巨大潜力。

然而，碳纳米管在集成电路中的应用面临着诸多挑战。为提高器件的一致性和功能性，实际应用中需要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。然而，传统的碳纳米管直接生长方法中，由于手性结构的随机性，1/3的碳纳米管表现为金属性，2/3表现为半导体性，而且排列方向也常常杂乱无章，严重制约了其在集成电路中的应用。

面对这一挑战，上海交通大学史志文教授团队与武汉大学欧阳稳根教授团队、浙江大学金传洪教授团队以及中科院物理所张广宇教授团队合作，提出了一种新的滑移自组装生长技术，成功实现了在原子级平整的六方氮化硼（hBN）基底上直接生长单一手性平行密排的碳纳米管阵列，形成了碳纳米管范德华晶体这一完美结构。

通过纳米颗粒催化的化学气相沉积（CVD）生长技术，研究团队获得的碳纳米管阵列全部由同一手性的碳纳米管组成，且这些碳纳米管相互平行、紧密排列，间距固定为0.33纳米。理论分析表明，这一完美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润滑摩擦特性以及碳纳米管之间的范德华相互作用。在生长过程中，碳纳米管可以在基底上自由滑动，找到最低能量构型，最终通过自组装形成范德华晶体结构。

得益于碳纳米管阵列的单一手性和平行密排结构特征，基于这些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。具体表现为载流子迁移率接近2000 cm⊃2;/V·s，电流承载能力大于6.5 mA/μm，开关比可达到107，这些性能指标不仅超越了以往的研究成果，也优于硅基电路发展路线图中对未来数年的预期目标。特别是开态电流承载能力大幅超越了采用其他方法制备的碳纳米管阵列晶体管。

这些卓越的器件性能展示了所制备的单一手性密排碳纳米管阵列在未来高性能碳基纳米电子芯片中的巨大应用潜力。

研究亮点

1.实验首次实现单一手性平行密排碳纳米管阵列的直接生长，成功获得了碳纳米管范德华晶体结构。研究团队通过创新的滑移自组装生长技术，在六方氮化硼基底上实现了具有单一手性的碳纳米管阵列，这一结构具备了高度的排列一致性。

2.实验通过纳米颗粒催化的化学气相沉积（CVD）技术，成功生长了碳纳米管阵列，所得到的碳纳米管阵列完全由同一手性碳纳米管组成，且这些碳纳米管在基底上紧密排列，间距固定为0.33纳米。研究通过理论分析揭示了该阵列的自组装机制，碳纳米管间的范德华相互作用和基底的超润滑摩擦特性共同推动了这一结构的形成。

3.实验通过制造基于这些碳纳米管阵列的场效应晶体管（FET）器件，展示了其优异的电学性能，包括载流子迁移率接近2000 cm⊃2;/V·s，电流承载能力大于6.5 mA/μm，开关比可达到107。这些指标不仅超越了以往的研究成果，也优于硅基电路发展路线图中对未来数年的预期目标。

图1：紧密排列的SWNT二维阵列结构。