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碳纳米管过气了?北大/哈佛一口气发3篇《Science》,在碳纳米管研究领域取得重大突破

碳纳米管过气了?北大/哈佛一口气发3篇《Science》,在碳纳米管研究领域取得重大突破
发布日期:2020-05-25 浏览次数:67

有一维结构特性的碳纳米管(CNT)自从上世纪90年代初被首次制备和报道出来就一直是纳米材料界的明星材料,经过近30年的发展和研究,目前在很多领域显示出了巨大的应用潜力。同时,随着高尖端科技的进步和发展,工业生产中对高密度、高性能和高能量效率的场效应晶体管(FETs)的需求也越来越紧迫。然而目前使用的基于金属-氧化物半导体场效应管(MOS)FETs很难顺应未来集成电路(IC)高集成化和微型化的发展趋势,因此亟需开发出新的FETs。2020年5月22日,最新的一期Science杂志连续刊登了三篇关于CNT在FETs领域的研究进展!在这里,小编就带领大家一睹为快,看看有哪些突破性的进展吧!

1.高规整度、高密度碳纳米管半导体阵列

CNT具有一维结构以及纳米级尺寸可调的特性,因此在很早之前就被研究用于替代硅基FETs了。但是由于CNT的纯度,制备得到的FETs中CNT的密度和排列规整度这些问题始终得不到解决,因此限制了CNT基FETs的大规模制备和应用。为了解决这一问题,北京大学彭练矛院士研究团队联合张志勇教授研究团队首先开发了多重分散和分选方法制备得到了用于制备FETs的高纯度CNT;然后采用尺寸限制自动排列的方法在10 cm硅晶圆基底上制备得到了排列良好且密度可调(每微米排列数量介于100~200之间)的CNT阵列。在闸极长度相同条件下,基于此CNT整列制备的FETs显示出了比商用硅基FETs更优异的性能——在1V的电压条件下,通态电流达到1.3 mA·um-1,跨导达到了创记录的0.9 mS·um-1。同时,在使用离子液体作为栅极时可以保持较低的室温阈下摆动(<90mV/十年)。除此之外,批量制作的顶部栅五级环形振荡器显示出最高的最大振荡频率可以大于8 GHz。因此,这种基于CNT阵列的场效应晶体管在未来的微电子领域显示出了极大的应用潜力。这一研究成果以题为“Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics”发表在《Science》上。
 


原文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6493/850

2.在三维DNA纳米沟槽中制备精确的碳纳米管阵列

正如前面所言,制备CNT基场效应晶体管的难度在于CNT阵列的高密度和高规整度化。为了解决这一问题,哈佛大学和哈佛医学院的的尹鹏(本科毕业于北京大学)、Wei Sun教授研究团队合作开发了一种超分子组装的方法来制备高密度和高规整度CNT阵列。具体地,研究人员首先利用单链DNA的自组装作用构建了具有规整阵列结构的沟槽,随后再对CNT进行表面进行“特异性修饰”,使这些修饰过的CNT能够精准地躺进之前设计好的沟槽中,就可以得到间距小于10.4 nm,偏差角小于2°,组装效率大于95 %的CNT阵列。这项研究以题为“Precise pitch-scaling of carbon nanotube arrays within three-dimensional DNA nanotrenches”发表在《Science》上。
 


原文链接:https://science.sciencemag.org/content/368/6493/874

3.DNA定向纳米技术制备高性能CNT场效应晶体管

与目前使用的光刻法相比,利用生物加工法制备的半导体纳米阵列显示出了更小的通道间距。然而,生物晶格中的金属离子和亚微米尺寸特性导致了较差的传输性能差和大面积阵列均匀度的降低。为了解决这一问题,北京大学孙伟教授和厦门大学朱志教授研究团队合作以DNA模板法制备的平行CNT阵列作为模型系统,开发了一种先固定后冲洗(rinsing-after-fixing)的方法将基于CNT阵列的效应晶体管关键传输性能指标提高了10倍以上(与以前的生物模板场效应晶体管相比)。在研究中,作者使用空间受限的方法,在PMMA腔内组装了达到厘米级的CNT阵列。在高性能电子和生物分子自组装的界面上,这种方法可以使可伸缩的生物模板电子产品的生产成为可能。该研究以题为“DNA-directed nanofabrication of high-performance carbon nanotube field-effect transistors”发表在《Science》上。
 

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