碳納米管過氣瞭?北大/哈佛一口氣發3篇《Science》,在碳納米管研究領域取得重大突破

具有一維結構特性的碳納米管(CNT)自從上世紀90年代初被首次制備和報道出來就一直是納米材料界的明星材料,經過近30年的發展和研究,目前在很多領域顯示出瞭巨大的應用潛力。同時,隨著高尖端科技的進步和發展,工業生產中對高密度、高性能和高能量效率的場效應晶體管(FETs)的需求也越來越緊迫。然而目前使用的基於金屬-氧化物半導體場效應管(MOS)FETs很難順應未來集成電路(IC)高集成化和微型化的發展趨勢,因此亟需開發出新的FETs。2020年5月22日,最新的一期Science雜志連續刊登瞭三篇關於CNT在FETs領域的研究進展!在這裡,小編就帶領大傢一睹為快,看看有哪些突破性的進展吧!

1.高規整度、高密度碳納米管半導體陣列

CNT具有一維結構以及納米級尺寸可調的特性,因此在很早之前就被研究用於替代矽基FETs瞭。但是由於CNT的純度,制備得到的FETs中CNT的密度和排列規整度這些問題始終得不到解決,因此限制瞭CNT基FETs的大規模制備和應用。為瞭解決這一問題,北京大學彭練矛院士研究團隊聯合張志勇教授研究團隊首先開發瞭多重分散和分選方法制備得到瞭用於制備FETs的高純度CNT;然後采用尺寸限制自動排列的方法在10 cm矽晶圓基底上制備得到瞭排列良好且密度可調(每微米排列數量介於100~200之間)的CNT陣列。在閘極長度相同條件下,基於此CNT整列制備的FETs顯示出瞭比商用矽基FETs更優異的性能——在1V的電壓條件下,通態電流達到1.3 mA·um-1,跨導達到瞭創記錄的0.9 mS·um-1。同時,在使用離子液體作為柵極時可以保持較低的室溫閾下擺動(<90mV/十年)。除此之外,批量制作的頂部柵五級環形振蕩器顯示出最高的最大振蕩頻率可以大於8 GHz。因此,這種基於CNT陣列的場效應晶體管在未來的微電子領域顯示出瞭極大的應用潛力。這一研究成果以題為“Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics”發表在《Science》上。

碳納米管過氣瞭?北大/哈佛一口氣發3篇《Science》,在碳納米管研究領域取得重大突破

原文鏈接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6493/850

2.在三維DNA納米溝槽中制備精確的碳納米管陣列

正如前面所言,制備CNT基場效應晶體管的難度在於CNT陣列的高密度和高規整度化。為瞭解決這一問題,哈佛大學和哈佛醫學院的的尹鵬(本科畢業於北京大學)、Wei Sun教授研究團隊合作開發瞭一種超分子組裝的方法來制備高密度和高規整度CNT陣列。具體地,研究人員首先利用單鏈DNA的自組裝作用構建瞭具有規整陣列結構的溝槽,隨後再對CNT進行表面進行“特異性修飾”,使這些修飾過的CNT能夠精準地躺進之前設計好的溝槽中,就可以得到間距小於10.4 nm,偏差角小於2°,組裝效率大於95 %的CNT陣列。這項研究以題為“Precise pitch-scaling of carbon nanotube arrays within three-dimensional DNA nanotrenches”發表在《Science》上。

碳納米管過氣瞭?北大/哈佛一口氣發3篇《Science》,在碳納米管研究領域取得重大突破

原文鏈接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6493/874

3.DNA定向納米技術制備高性能CNT場效應晶體管

與目前使用的光刻法相比,利用生物加工法制備的半導體納米陣列顯示出瞭更小的通道間距。然而,生物晶格中的金屬離子和亞微米尺寸特性導致瞭較差的傳輸性能差和大面積陣列均勻度的降低。為瞭解決這一問題,北京大學孫偉教授和廈門大學朱志教授研究團隊合作以DNA模板法制備的平行CNT陣列作為模型系統,開發瞭一種先固定後沖洗(rinsing-after-fixing)的方法將基於CNT陣列的效應晶體管關鍵傳輸性能指標提高瞭10倍以上(與以前的生物模板場效應晶體管相比)。在研究中,作者使用空間受限的方法,在PMMA腔內組裝瞭達到厘米級的CNT陣列。在高性能電子和生物分子自組裝的界面上,這種方法可以使可伸縮的生物模板電子產品的生產成為可能。該研究以題為“DNA-directed nanofabrication of high-performance carbon nanotube field-effect transistors”發表在《Science》上。

碳納米管過氣瞭?北大/哈佛一口氣發3篇《Science》,在碳納米管研究領域取得重大突破

原文鏈接:

https://science.sciencemag.org/content/368/6493/878

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