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　　近日，上(shang)海交通(tong)大學物理與天文(wen)學院(yuan)史志文(wen)教授、梁齊教授與合作者(zhe)在《Science》上(shang)發(fa)表題為(wei)“Homochiral carbon nanotube van der Waals crystals”的(de)(de)研(yan)究論(lun)文(wen)，論(lun)文(wen)以First Release的(de)(de)形式在Science網站提前在線發(fa)表。該研(yan)究開發(fa)了(le)(le)一(yi)種(zhong)制(zhi)備(bei)碳納米(mi)管陣(zhen)列(lie)的(de)(de)全(quan)新方法(fa)，成功實現(xian)了(le)(le)單一(yi)手性(xing)平(ping)行密(mi)排(pai)碳納米(mi)管陣(zhen)列(lie)的(de)(de)直接生(sheng)長，首(shou)次得(de)到了(le)(le)碳納米(mi)管范德華晶(jing)(jing)體結構(gou)，并演示了(le)(le)所制(zhi)備(bei)的(de)(de)碳納米(mi)管陣(zhen)列(lie)可用于制(zhi)造高性(xing)能場效應晶(jing)(jing)體管器(qi)件。

圖1 Science論文首頁(ye)截圖

　　碳納米(mi)(mi)管是碳材(cai)料(liao)(liao)家族(包(bao)括金剛(gang)石、石墨烯(xi)(xi)、足球烯(xi)(xi)等)中的一(yi)(yi)員明星，于(yu)1991年首次被實驗發現(xian)。碳納米(mi)(mi)管可(ke)以看成是由(you)石墨烯(xi)(xi)卷曲而成的一(yi)(yi)維管子(zi)，直徑僅有1納米(mi)(mi)，是目(mu)前已知最細的材(cai)料(liao)(liao)。這種材(cai)料(liao)(liao)的電(dian)子(zi)遷移率遠超傳統硅基材(cai)料(liao)(liao)，為(wei)制造(zao)更快、更小(xiao)、更節能的晶體管提供了可(ke)能，被視為(wei)未來電(dian)子(zi)器件(jian)的理(li)想(xiang)材(cai)料(liao)(liao)之一(yi)(yi)，有望推(tui)動下一(yi)(yi)代(dai)計算機芯片的革新。

　　在(zai)實際(ji)芯片(pian)應用(yong)中，需要大量結(jie)構完(wan)全相同(tong)的(de)半(ban)導(dao)體性碳(tan)(tan)(tan)納(na)米管(guan)以(yi)高(gao)度有序的(de)方(fang)式排列(lie)在(zai)一(yi)起，以(yi)提(ti)高(gao)器件的(de)一(yi)致(zhi)性和功能性。然而，直接生長的(de)碳(tan)(tan)(tan)納(na)米管(guan)手性結(jie)構隨機，性質極難控制，統(tong)計(ji)上有1/3的(de)碳(tan)(tan)(tan)管(guan)表現(xian)出金(jin)屬性，2/3的(de)碳(tan)(tan)(tan)管(guan)表現(xian)為半(ban)導(dao)體性，而且(qie)通常存(cun)在(zai)排列(lie)方(fang)向混亂的(de)問題，嚴重(zhong)制約了碳(tan)(tan)(tan)納(na)米管(guan)在(zai)集成電路中的(de)應用(yong)。

圖2 碳(tan)納米管范德華(hua)晶體結構示意(yi)圖

　　諾貝爾獎得主Richard E. Smalley教授曾在2001年提出(chu)碳納米管研(yan)究領域的(de)(de)一(yi)個重要(yao)難(nan)題(ti)和(he)研(yan)究目標：如(ru)何制(zhi)備出(chu)由(you)單一(yi)手性碳納米管整齊平(ping)行緊密排列而(er)(er)成的(de)(de)晶體(ti)結構?國內外許(xu)多科學(xue)家都(dou)在嘗試攻(gong)克(ke)這一(yi)難(nan)題(ti)。然而(er)(er)，二十多年過去了(le)，Smalley教授提出(chu)的(de)(de)目標一(yi)直未(wei)能實(shi)現(xian)。

　　針(zhen)對以上(shang)(shang)挑戰(zhan)，上(shang)(shang)海交通(tong)大學(xue)史志文團(tuan)(tuan)隊(dui)聯合武漢大學(xue)歐陽穩根(gen)團(tuan)(tuan)隊(dui)、浙江大學(xue)金(jin)傳(chuan)洪團(tuan)(tuan)隊(dui)和中科院(yuan)物理所張廣宇團(tuan)(tuan)隊(dui)，獨辟蹊徑開發出全(quan)新的滑移自組(zu)裝生(sheng)長(chang)(chang)技術，在原(yuan)子級平整(zheng)的六(liu)方氮(dan)化硼基底上(shang)(shang)實現了(le)單一手性密排的碳納米管(guan)陣列的直接生(sheng)長(chang)(chang)，形(xing)成碳納米管(guan)范德(de)華晶體這(zhe)一完美結構。

圖3 單一手性且(qie)平行密排的碳納米(mi)管陣列

　　碳(tan)(tan)納(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)陣(zhen)列晶體(ti)是(shi)通過一種(zhong)納(na)(na)米(mi)(mi)顆粒(li)催(cui)化(hua)的(de)(de)(de)(de)化(hua)學氣相沉積(CVD)生長技術實(shi)現的(de)(de)(de)(de)。實(shi)驗觀測發現，生長得到的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)納(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)陣(zhen)列均(jun)由同一手性的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)納(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)組成，碳(tan)(tan)納(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)之(zhi)間(jian)(jian)相互(hu)平行、緊密(mi)排列，間(jian)(jian)距為固(gu)定的(de)(de)(de)(de)0.33 nm。理論(lun)分(fen)析揭示，這種(zhong)近(jin)乎(hu)完美的(de)(de)(de)(de)陣(zhen)列結構的(de)(de)(de)(de)形成源自于碳(tan)(tan)納(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)與六方氮化(hua)硼基底(di)(di)之(zhi)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)超潤滑摩(mo)擦特性及碳(tan)(tan)納(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)間(jian)(jian)的(de)(de)(de)(de)范德華相互(hu)作用：生長出的(de)(de)(de)(de)碳(tan)(tan)納(na)(na)米(mi)(mi)管(guan)(guan)(guan)可以在基底(di)(di)上(shang)自由滑動，找到能量更(geng)低的(de)(de)(de)(de)構型(xing)，反復折(zhe)疊(die)排列在一起(qi)，并最終自組裝形成范德華晶體(ti)結構。

圖(tu)4 碳納米管(guan)陣列晶體管(guan)器件(jian)的優異(yi)性能

　　得益于碳(tan)納(na)(na)米管陣(zhen)列(lie)單(dan)一手性(xing)和平行密排的(de)結構特征，基(ji)(ji)于碳(tan)納(na)(na)米管陣(zhen)列(lie)制造(zao)的(de)場(chang)效應(ying)晶體管展現出(chu)(chu)了優異的(de)電(dian)(dian)學性(xing)能，載(zai)流(liu)子(zi)(zi)遷(qian)移率接近2,000 cm2V–1s–1，電(dian)(dian)流(liu)承(cheng)載(zai)能力(li)大于6.5mA/μm，開關比可達107，這些器(qi)件指(zhi)標不僅超越以往報道(dao)的(de)結果，也(ye)優于硅基(ji)(ji)電(dian)(dian)路發展路線圖中對未來數年(nian)的(de)預期指(zhi)標。特別地(di)，開態電(dian)(dian)流(liu)承(cheng)載(zai)能力(li)大幅超越了相(xiang)同加工精度(du)下(xia)通(tong)過其(qi)它方法制備(bei)的(de)碳(tan)納(na)(na)米管陣(zhen)列(lie)晶體管。這些出(chu)(chu)色的(de)器(qi)件性(xing)能展現出(chu)(chu)所(suo)制備(bei)的(de)單(dan)一手性(xing)密排碳(tan)納(na)(na)米管陣(zhen)列(lie)在未來高(gao)性(xing)能碳(tan)基(ji)(ji)納(na)(na)米電(dian)(dian)子(zi)(zi)芯片應(ying)用中的(de)巨大潛力(li)。

　　論文共同第一(yi)作(zuo)(zuo)者為上海(hai)交通(tong)(tong)大(da)(da)學(xue)(xue)物(wu)(wu)理(li)與天文學(xue)(xue)院(yuan)張(zhang)(zhang)智(zhi)淳(chun)、陳(chen)一(yi)、沈(shen)沛約、陳(chen)佳俊(jun)博(bo)(bo)(bo)士(shi)(shi)(shi)、武(wu)(wu)漢大(da)(da)學(xue)(xue)王(wang)(wang)(wang)森和浙江大(da)(da)學(xue)(xue)汪博(bo)(bo)(bo)博(bo)(bo)(bo)士(shi)(shi)(shi)。共同通(tong)(tong)訊作(zuo)(zuo)者為史志文教(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)、梁齊教(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)、陳(chen)佳俊(jun)博(bo)(bo)(bo)士(shi)(shi)(shi)、中(zhong)科(ke)(ke)(ke)院(yuan)物(wu)(wu)理(li)所張(zhang)(zhang)廣宇研(yan)究(jiu)員、浙江大(da)(da)學(xue)(xue)金(jin)傳洪教(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)和武(wu)(wu)漢大(da)(da)學(xue)(xue)歐陽穩根(gen)教(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)。論文合作(zuo)(zuo)者還包括上海(hai)交通(tong)(tong)大(da)(da)學(xue)(xue)賈金(jin)鋒教(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)、錢冬(dong)教(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)、王(wang)(wang)(wang)國(guo)華(hua)博(bo)(bo)(bo)士(shi)(shi)(shi)、馬賽(sai)群、周先(xian)亮、婁碩、吳(wu)正瀚(han)、謝(xie)宇烽、張(zhang)(zhang)誠嘉、王(wang)(wang)(wang)立果、李(li)昊楠、徐琨淇博(bo)(bo)(bo)士(shi)(shi)(shi)、浙江大(da)(da)學(xue)(xue)王(wang)(wang)(wang)孝群教(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)、中(zhong)科(ke)(ke)(ke)院(yuan)物(wu)(wu)理(li)所楊(yang)威研(yan)究(jiu)員、日本(ben)國(guo)立材(cai)料研(yan)究(jiu)所Kenji Watanabe教(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)和Takashi Taniguchi教(jiao)(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)。本(ben)工作(zuo)(zuo)得到(dao)科(ke)(ke)(ke)技部、自然科(ke)(ke)(ke)學(xue)(xue)基金(jin)委的資(zi)助，在(zai)此(ci)深表感謝(xie)。

　　論文鏈接：

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