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10月2日，清華大學化學工程系魏飛教授團隊題為“超純半導體性碳納米管的速率選擇生長”（ Rate selected growth of the ultrapure semiconducting carbon nanotube arrays）的論文在《自然-通訊》（Nature Communications）上在線發表。 該論文研究指出，碳納米管在生長過程中的原子組裝速率與其帶隙相互鎖定，金屬管數量隨長度的指數衰減速率比半導體管高出數量級，在長度達到154mm后可實現99.9999%超長半導體管陣列的一步法制備，這一方法為制備結構完美、高純半導體管水平陣列這一世界性難題提供了一項全新的技術路線，對新一代碳基電子材料的可控制備具有重要價值。 隨著信息技術的高速發展，半導體芯片已成為數字經濟和國家安全的重要基礎。近年來，以硅基材料為核心的摩爾定律宣告失效，在眾多替代材料中，碳納米管憑借納米級尺寸和優異的電子空穴高遷移率成為新一代芯片電子的理想候選材料。美國國防高級研究計劃局宣布投資15億美元推進“電子復興計劃”，用于開發微型化、高性能碳納米管芯片。斯坦福大學和麻省理工學院相繼研發出碳納米管計算機和基于1.4萬個碳納米管晶體管構筑的16位微處理器，充分展現了碳納米管在后硅時代的發展潛力。 我國在碳納米管電子器件及材料制備的工程應用領域具有顯著優勢，特別是在單根碳納米管晶體管無摻雜制備及最小碳納米管器件領域做出了眾多原創性貢獻。在碳納米管宏量制備領域，也已率先實現世界最高、千噸級產量聚團狀和垂直陣列狀碳納米管的批量制備，并在動力電池領域規�；瘧�。然而，碳納米管的結構缺陷、手性結構控制仍然是制約高性能碳基芯片應用的關鍵問題。 為此，魏飛教授團隊專注結構完美超長碳納米管的研發10余年，發現超長碳納米管在分米級長度上的結構一致性，率先制備出世界上最長的550mm碳納米管，并驗證了碳納米管的數量隨長度呈現指數衰減的Schulz-Flory分布規律。進一步研究發現，金屬和半導體管的數量也各自滿足Schulz-Flory分布，但半導體管的半衰期長度是金屬管的10倍以上。拉曼散射、瑞利散射光學表征及同位素標記的生長速度測試表明，金屬與半導體管的半衰期長度差異源于碳納米管自身帶隙鎖定的生長速度�？s小非均相催化中外擴散與毒化過程的活化能差異，從而提高碳納米管的長度，是實現具有窄帶隙分布的半導體管陣列可控制備的關鍵。據此，該團隊設計層流方形反應器，精準控制氣流場和溫度場并優化恒溫區結構，將催化劑失活幾率降至百億分之一，成功實現了超長水平陣列碳納米管在7片4英寸硅晶圓表面的大面積生長，最長長度650mm，單位反應位點轉化數達到1.53×106 s-1，是一般工業反應的上億倍。用154mm處的碳納米管陣列作為溝道材料制作的晶體管器件，開關比108，遷移率4000cm2/Vs以上，電流密度14 μA/ μm，首次展現了超長碳納米管在陣列水平的優異電學性能。這種利用帶隙鎖定生長速度實現高純半導體管可控制備的方法，為原位自發提純半導體材料提供了一種全新路線，為發展新一代高性能碳基集成電子器件奠定了堅實的基礎。 該工作是魏飛教授團隊繼實現半米長碳納米管可控制備及原位卷繞成大面積、單手性碳納米管線團后的又一創新性工作，為實現碳納米管在高端電子產品及柔性電子器件中的應用，推動國家微電子行業發展提供了可行的路線。 文章通訊作者為魏飛教授，第一作者為清華大學化工系2015級博士生朱振興，芬蘭阿爾托大學應用物理系博士后魏楠、清華大學微電子系許軍教授及2016級博士生程為軍、清華大學化工系王垚副教授、張如范助理教授、博士生申博淵、孫斯磊、高俊參與了該工作。本項研究工作受到國家重點基礎研究發展計劃、國家自然科學基金委及北京市科學技術委員會等項目的資助。 |
