1、上海交通大学Science：首次得到碳纳米管范德华晶体结构
近日，
上海交通大学物理与天文学院
史志文教授、梁齐教授
与合作者在
《Science》
上发表题为“
Homochiral carbon nanotube van der Waals crystals
”的研究论文，论文以First Release的形式在Science网站提前在线发表。该研究开发了一种制备碳纳米管阵列的全新方法，成功实现了单一手性平行密排碳纳米管阵列的直接生长，首次得到了碳纳米管范德华晶体结构，并演示了所制备的碳纳米管阵列可用于制造高性能场效应晶体管器件。
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu1756
碳纳米管是碳材料家族（包括金刚石、石墨烯、足球烯等）中的一员明星，于1991年首次被实验发现。碳纳米管可以看成是由石墨烯卷曲而成的一维管子，直径仅有1纳米，是目前已知最细的材料。这种材料的电子迁移率远超传统硅基材料，为制造更快、更小、更节能的晶体管提供了可能，被视为未来电子器件的理想材料之一，有望推动下一代计算机芯片的革新。
在实际芯片应用中，需要大量结构完全相同的半导体性碳纳米管以高度有序的方式排列在一起，以提高器件的一致性和功能性。然而，直接生长的碳纳米管手性结构随机，性质极难控制，统计上有1/3的碳管表现出金属性，2/3的碳管表现为半导体性，而且通常存在排列方向混乱的问题，严重制约了碳纳米管在集成电路中的应用。
图 碳纳米管范德华晶体结构示意图
诺贝尔奖得主Richard E. Smalley教授曾在2001年提出碳纳米管研究领域的一个重要难题和研究目标：
如何制备出由单一手性碳纳米管整齐平行紧密排列而成的晶体结构？
国内外许多科学家都在尝试攻克这一难题。然而，二十多年过去了，Smalley教授提出的目标一直未能实现。
针对以上挑战，上海交通大学史志文团队联合武汉大学欧阳稳根团队、浙江大学金传洪团队和中科院物理所张广宇团队，
独辟蹊径开发出全新的滑移自组装生长技术，在原子级平整的六方氮化硼基底上实现了单一手性密排的碳纳米管阵列的直接生长，形成碳纳米管范德华晶体这一完美结构。
图 单一手性且平行密排的碳纳米管阵列
碳纳米管阵列晶体是通过一种纳米颗粒催化的化学气相沉积（CVD）生长技术实现的。实验观测发现，生长得到的碳纳米管阵列均由同一手性的碳纳米管组成，碳纳米管之间相互平行、紧密排列，间距为固定的0.33 nm。理论分析揭示，这种近乎完美的阵列结构的形成源自于碳纳米管与六方氮化硼基底之间的超润滑摩擦特性及碳纳米管间的范德华相互作用：生长出的碳纳米管可以在基底上自由滑动，找到能量更低的构型，反复折叠排列在一起，并最终自组装形成范德华晶体结构。
图 碳纳米管阵列晶体管器件的优异性能
得益于碳纳米管阵列单一手性和平行密排的结构特征，基于碳纳米管阵列制造的场效应晶体管展现出了优异的电学性能，载流子迁移率接近2,000 cm2V–1s–1，电流承载能力大于6.5mA/μm，开关比可达107，
这些器件指标不仅超越以往报道的结果，也优于硅基电路发展路线图中对未来数年的预期指标。
特别地，开态电流承载能力大幅超越了相同加工精度下通过其它方法制备的碳纳米管阵列晶体管。这些出色的器件性能展现出所制备的单一手性密排碳纳米管阵列在未来高性能碳基纳米电子芯片应用中的巨大潜力。
图5 交大团队成员（从左向右：梁齐教授，张智淳，马赛群，王立果，陈佳俊，张诚嘉，沈沛约，陈一，史志文教授）
论文共同第一作者为上海交通大学物理与天文学院张智淳、陈一、沈沛约、陈佳俊博士、武汉大学王森和浙江大学汪博博士。共同通讯作者为史志文教授、梁齐教授、陈佳俊博士、中科院物理所张广宇研究员、浙江大学金传洪教授和武汉大学欧阳稳根教授。论文合作者还包括上海交通大学贾金锋教授、钱冬教授、王国华博士、马赛群、周先亮、娄硕、吴正瀚、谢宇烽、张诚嘉、王立果、李昊楠、徐琨淇博士、浙江大学王孝群教授、中科院物理所杨威研究员、日本国立材料研究所Kenji Watanabe教授和Takashi Taniguchi教授。本工作得到科技部、自然科学基金委的资助，在此深表感谢。
2、中国科学院物理所Nature：范德华挤压技术实现二维金属的普适制备
自2004年单层石墨烯发现以来，二维材料引领了凝聚态物理、材料科学等领域的系列突破性进展，并开创了基础研究和技术创新的二维新纪元。在过去20年中，二维材料家族迅速扩大，目前实验可获得的二维材料达数百种，理论预测的更是近 2000 种。然而，这些二维材料基本上局限在范德华层状材料体系。原子薄极限的二维金属是近年来孜孜以求的新兴二维材料，它的实现不仅可以超越当前二维范德华层状材料体系，拓宽二维材料家族，还有望演生出各种宏观量子现象，促进理论、实验和技术的进步。但不同于范德华层状材料，金属是高度对称的非范德华材料，各向同性且强的金属键导致二维金属的制备极具挑战。在过去几年中，人们为实现二维金属进行了大量努力，但未能在原子薄极限下实现大尺寸和本征的二维金属。
针对挑战，最近中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心N07课题组提出了原子级制造的范德华挤压技术，通过将金属熔化并利用团队前期制备的高质量单层MoS 2范德华压砧挤压，实现了埃米极限厚度下各种二维金属的普适制备，包括铋 (Bi, 6.3 Å)、锡 (Sn, 5.8 Å)、铅 (Pb, 7.5 Å)、铟 (In, 8.4 Å) 和镓 (Ga, 9.2 Å)。范德华挤压制备的二维金属上下均被单层MoS 2所封装，因此具有非常好的环境稳定性（在超1年的测试中无性能退化）和非成键的界面，有利于器件制备以探索二维金属的本征特性。电学测量表明，单层铋的电导率随着温度的降低近线性增加，表现出经典金属行为，室温电导率可达~9.0×10 6 S/m，比块体铋的室温电导率（~7.8×10 5 S/m）高一个数量级以上。并且，单层铋展现出明显的P型电场效应，其电阻可被栅电压调控达35%（块体金属通常小于1%），为低功耗全金属晶体管和高频器件阐明了可能。此外，范德华挤压技术还能以原子精度控制二维金属的厚度（即单层、双层或三层），为揭示以前难以企及的新奇层赝自旋特性提供了的可能。
图1.范德华挤压技术普适制备埃米极限厚度二维金属
这一工作是原子级制造的一个成功案例。国际审稿人一致给予该工作极高评价：“开创了二维金属这一重要研究领域opens an important research field on isolated 2D metals；“代表二维材料研究领域的一个重大进展represents a major advance in the study of 2D materials”。本工作发展的范德华挤压技术为二维金属、合金和其他二维非范德华材料开辟了有效原子级制造方案，有望为各种新兴的量子、电子和光子器件勾勒出美好的愿景。
相关研究成果以“Realization of 2D metals at the ångström thickness limit”为题发表在 Nature。中国科学院物理研究所N07课题组赵交交博士（已毕业）为该论文的第一作者，杜罗军特聘研究员和张广宇研究员为该论文的通讯作者。本研究工作获得来自中国科学院物理研究所杜世萱研究员，潘金波副研究员和李佩璇博士等的合作和理论计算支持。得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金委、广东省基础与应用基础研究重大项目和中国科学院等科研项目的资助支持。
