清華化工系魏飛研究組發(fā)文揭示原位纏繞超長碳納米管制備單色碳納米管線團(tuán)
清華新聞網(wǎng)12月7日電 （通訊員 朱振興）近日，清華大學(xué)化學(xué)工程系魏飛教授研究組在《科學(xué)-進(jìn)展》(Science Advances)在線發(fā)表題為“聲輔助組裝單根單色超長碳納米管用于高電流輸出晶體管”(Acoustic-assisted assembly of an individual monochromatic ultralong carbon nanotube for high on-current transistors)論文。研究指出，將全同手性、宏觀長度的單根超長碳納米管纏繞成大面積線團(tuán)，為制備高密度、手性一致碳納米管這一世紀(jì)難題提供了一條全新路線，在新一代碳基電子器件領(lǐng)域具有極大應(yīng)用潛力。
伴隨著可移動智能設(shè)備、云存儲和大數(shù)據(jù)處理的廣泛應(yīng)用，快速發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)對下一代更快、更節(jié)能的半導(dǎo)體材料提出了更高的要求。碳納米管電子空穴高遷移率與本征半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)使其具有優(yōu)異的電學(xué)性能，有望取代硅成為下一代碳基集成電路的核心材料。如何利用我國碳納米材料研究的優(yōu)勢實(shí)現(xiàn)在下一代半導(dǎo)體材料上的突破從而擺脫芯片長期依賴進(jìn)口的局面是碳納米管應(yīng)用的一個重大問題。目前制約高性能碳納米管晶體管規(guī)模化應(yīng)用的關(guān)鍵在于制備大量手性一致、高密度的碳納米管材料。IBM表示：要想實(shí)現(xiàn)下一代基于碳納米管的高性能電子器件，其半導(dǎo)體純度應(yīng)達(dá)到99.9999%，密度應(yīng)達(dá)到125根每微米，即制備出單一顏色、相同手性的碳納米管粉體是碳納米管制備的終極目標(biāo)。
單色超長碳納米管線團(tuán)的制備及瑞利表征示意。
為此，魏飛教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)將單根分米級長度、2 納米直徑的超長碳納米管原位卷繞成高密度、單色碳納米管線團(tuán)。采用的方法是，向超長碳納米管所處穩(wěn)定的層流生長體系中引入低頻聲波，使得漂浮的超長碳納米管在渦流的作用下纏繞成平方毫米級面積大小的線團(tuán)。實(shí)現(xiàn)上述單色碳納米管線團(tuán)的另一核心是使用了作者設(shè)計(jì)開發(fā)的新型層流方形反應(yīng)器在5片4英寸基底表面同時制備大面積超長碳納米管。觀察統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)，線團(tuán)的尺度與施加聲波的頻率和氣速有關(guān)，可以用自然界中描述魚擺尾或鳥揮翅產(chǎn)生推進(jìn)力的斯特魯哈爾數(shù)模型來表示，其自發(fā)的組裝過程滿足最小能量耗散機(jī)制。這種碳納米管線團(tuán)具有全同手性結(jié)構(gòu)，在超連續(xù)激光激發(fā)下呈現(xiàn)單一顏色。根據(jù)顏色及光譜信息，篩選出半導(dǎo)體性碳納米管線團(tuán)制作晶體管器件，開關(guān)比103~106，輸出電流4.4毫安，不僅實(shí)現(xiàn)了高開關(guān)比與高輸出電流兼?zhèn)洌乙彩悄壳盎趩胃技{米管制作的晶體管器件最高輸出電流記錄。這種利用單根宏觀長度、結(jié)構(gòu)一致的超長碳納米管卷繞成微米至毫米級單色線團(tuán)，可使原來十分難以操縱與分離的碳納米管，變?yōu)橐粋€毫米級顆粒的識別與分撿問題，為大量制備單色碳納米管線團(tuán)粉體創(chuàng)造了一個可行的技術(shù)路線。
該工作是魏飛教授團(tuán)隊(duì)繼2013年制備出世界上最長半米長碳納米管后又一創(chuàng)新性應(yīng)用工作，為實(shí)現(xiàn)碳納米管在高端電子產(chǎn)品及柔性電子器件中的應(yīng)用，推動國家微電子行業(yè)發(fā)展提供了可能的方法。文章通訊作者為魏飛教授，第一作者為清華大學(xué)化工系2015級博士生朱振興、北京大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院博士生魏楠與清華大學(xué)化工系2012級博士生謝歡歡，參與該工作的還有北京大學(xué)彭練矛教授和美國凱斯西儲大學(xué)戴黎明教授。本項(xiàng)研究工作受到國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委及北京市科學(xué)技術(shù)委員會等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
http://advances.sciencemag.org/content/2/11/e1601572
相關(guān)論文鏈接：
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn401995z
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.200902746/abstract;jsessionid=8FCC04154BAAAE5070B18E5013A4DC1E.f03t03
供稿：化工系 編輯：田心
