专栏名称: 研之成理

夯实基础，让基础成就辉煌；传递思想，让思想改变世界。“研之成理科研平台”立足于科研基础知识与科研思想的传递与交流，旨在创建属于大家的科研乐园！主要内容包括文献赏析，资料分享，科研总结，论文写作，软件使用等。科研路漫漫，我们会一路陪伴你！

上海交大/浙大/物理所/武大合作，Science!

研之成理 · 公众号 · 科研 · 2025-03-15 17:10

正文

▲第一作者：Zhichun Zhang，Yi Chen，Peiyue Shen，Jiajun Chen，Sen Wang，Bo Wang

通讯作者：Chen Jiajun, Qi Liang，Guangyu Zhang，Chuanhong Jin，Wengen Ouyang，Zhiwen Shi

通讯单位：上海交通大学，南京大学，松山湖材料实验室，中国科学院物理研究所，浙江大学，武汉大学

DOI：10.1126/science.adu1756 （点击文末「阅读原文」，直达链接）

研究背景

超高的载流子迁移率、优异的热导率以及单壁碳纳米管（SWNT）的纳米级尺寸，使其成为下一代电子材料的有力候选者。基于半导体SWNT的场效应晶体管（FET）相较于传统的硅基FET具有潜在优势，如更快的运行速度、更好的能效以及更高的集成密度。制造高性能的SWNT基微处理器需要高密度、良好对齐的纯半导体SWNT阵列，以确保器件的均匀性，并使电流容量和开关比最大化。对于单壁碳纳米管（SWNT）在集成电路中的应用，拥有高密度、良好排列且纯半导体性的SWNT阵列至关重要。

研究问题

本文报告了在六方氮化硼（ hBN ）基底上直接生长紧密排列的 SWNT 阵列，展示了每个阵列内的高取向性和均匀手性。分子动力学模拟表明，由于管间范德华吸引力以及 SWNT 在原子级平坦的 hBN 基底上的超低滑动摩擦，导致了自组装生长机制。由生长的 SWNT 阵列构建的场效应晶体管在室温下表现出高性能，迁移率高达每伏特每秒 2000 平方厘米，开关电流比约为 10 ⁷ ，最大电流密度约为每微米 6 毫安培。

图 1| 紧密堆积的单壁碳纳米管（ SWNT ）二维阵列结构

要点：

1. 这种生长方法通常会产生随机且孤立的单壁碳纳米管（ SWNT ）。然而，引入原子级平整的六方氮化硼（ hBN ）基底后，得到了排列整齐的 SWNT 阵列。本文利用原子力显微镜（ AFM ）和扫描透射电子显微镜（ STEM ）相结合的方法，对生长出的二维 SWNT 阵列的结构进行了表征。图 1 中 A 到 D 的 AFM 图像展示了几个代表性的 SWNT 阵列，它们要么是线性阵列，要么是闭环阵列（图 1 C 和 D ）。

2. 大多数线性阵列的长度为几微米，宽度为几百纳米，并且它们有时会以固定 120° 的角度弯曲（图 1B ）。闭环阵列呈现出各种形状，包括磁盘形状（图 1C ）、跑道形状（图 1D ）、三角形形状以及一些不规则的圆形。大多数 SWNT 阵列具有 1 到 2 纳米的一致厚度（大致相当于 SWNT 的直径），这表明单层的 SWNT 堆叠成了二维阵列。二维 SWNT 阵列的示意微观结构如图 1E 所示。图 1F 所示的 SWNT 阵列横截面的 STEM 图像显示出规则排列的纳米尺寸的圆圈，每个圆圈代表一个单独的 SWNT 。管间间距始终测量为 0.33 纳米，这与多层石墨烯中发现的层间间距相当，这表明阵列内的 SWNT 是最为紧密地排列的。

图 2|具有相同手性的SWNT范德华晶体的表征

要点：

1. 本文进一步表征了单壁碳纳米管（ SWNT ）阵列的结构和手性。每个阵列内的 SWNT 显示出均匀的手性。图 2A 中的原子力显微镜（ AFM ）地形图展示了一个代表性的 SWNT 线性阵列，而图 2B 中的放大 AFM 图像则是使用超尖锐 AFM 探针获得的。阵列内平行排列的 SWNT 对齐良好（管间距离恒定为 0.33 纳米），并且一条线轮廓（图 2C 中的黑线）显示了跨越 SWNTs 的均匀周期为 1.53 纳米，这表明它们具有相同的直径和可能相同的手性。

2. 对这种 SWNT 阵列进行了偏振拉曼光谱分析，图 2D 展示了不同入射角的一系列拉曼光谱。特征性的 G 峰和 2D 峰确认了该结构中存在 sp ² 碳。当光沿着阵列方向极化时， G 峰和 2D 峰的强度达到最大；而当光垂直于阵列极化时，这些峰几乎消失（降至最大强度的约 2% ）。拉曼 G 峰和 2D 峰强度随偏振角度的变化（图 2D 中的插图）显示出二重旋转对称性，这与平行排列的 SWNT 结构非常吻合。在垂直偏振方向上，拉曼强度近乎为零，这与阵列内 SWNTs 的高度有序排列一致。

图 3| SWNT 范德华晶体的生长机制

要点：

1. 本文研究了 SWNT 范德华晶体的生长和形成机制。首先考虑了线性阵列末端的一系列 U 形转弯（图 3A ），每个 U 形转弯连接阵列内的相邻 SWNT 部分。这种结构表明， SWNT 阵列是通过多次反复折叠单个长 SWNT 而不是将不同的 SWNT 组装在一起形成的。基于这种折叠结构，我们提出了如图 3B 所示的生长过程。首先， SWNT 通过基底生长模型从催化剂中生长出来，在新生长的 SWNT 段推动现有 SWNT 段在 hBN 表面上向前滑动（图 3B ， i ）。当遇到 hBN 台阶或其他障碍物时，移动的 SWNT 会弯曲并附着在 hBN 台阶边缘（图 3B ， ii ）。在沿着台阶边缘附着到一定长度后，滑动摩擦力变得足够大，迫使 SWNT 向相反方向移动。反向移动的 SWNT 通过范德华吸引力附着在先前生长的纳米管上（图 3B ， iii 和 iv ）。 SWNT 重复这个过程，并来回弯曲几次，最终形成一个由单个 SWNT 生长而成的紧密排列的 SWNT 阵列（图 3B ， v ）。粗粒化分子动力学模拟已经再现了上述生长过程。

2. 在能量方面，折叠的 SWNT 阵列结构可能比直的单个 SWNT 更有利，因为管间范德华势能降低了（图 3C ）。然而，在之前关于 SWNT 在其他基底上生长的研究中，并未报道过折叠的 SWNT 阵列结构。据推测，原子级平整的 hBN 基底发挥了重要作用，它为 SWNT 的自由移动提供了一个非常低摩擦的表面，使其能够达到能量上有利的折叠结构。本文推测，二维 SWNT 阵列的形成是相邻 SWNT 部分之间的范德华吸引力和 SWNT 在 hBN 表面上的滑动共同促进的。

图

上海交大/浙大/物理所/武大合作，Science!

正文

请到「今天看啥」查看全文