上交&武大&浙大&中科院物理所联合发表Science，均匀手性、高排列性和出色的电气性能的单壁碳纳米管阵列

单壁碳纳米管 (SWNT) 具有超高的载流子迁移率、优异的热导率和纳米级尺寸，是下一代电子材料的有希望的候选材料。基于半导体 SWNT 的场效应晶体管 (FET) 比传统的硅基 FET 具有潜在优势，例如工作速度更快、能效更高、集成密度更高。制造高性能的基于 SWNT 的微处理器需要高密度、排列整齐的纯半导体 SWNT 阵列，以确保器件的均匀性并最大限度地提高电流容量和开 / 关比。

已使用化学气相沉积 (CVD) 控制生长和后生长技术组装 SWNT 来生产 SWNT 阵列。然而，在加工高质量 SWNT 阵列方面仍存在一些挑战，包括需要在 CVD 生长过程中提高手性选择性、在组装 SWNT 后有效去除表面活性剂和聚合物，以及减少这两种方法的捆绑和排列紊乱。原材料中的这些缺陷严重限制了基于 SWNT 的集成电路的性能。

上海交通大学史志文教授、梁齐教授、陈佳俊、武汉大学欧阳稳根教授、浙江大学金传洪教授、中科院物理所张广宇研究员等研究人员 报道了一种在六方氮化硼 (hBN) 基底上直接生长二维 (2D) 密堆积 SWNT 阵列的方法。每个 SWNT 阵列由具有均匀手性并以 0.33 纳米的恒定间距精确平行排列的 SWNT 组成，形成晶体结构。此结构内 SWNT 之间的范德华 (vdW) 相互作用有助于驱动排列并产生均匀的管间间距。分子动力学 (MD) 模拟表明，生长通过原子级平整且摩擦极低的 hBN 表面促进的自组装进行。与由先前报道的 SWNT 阵列或通过其他方法生产的薄膜制成的场效应晶体管相比，由原生 SWNT 阵列制成的场效应晶体管表现出更优异的电子特性。观察到载流子迁移率高达 ~2000 cm ² V ^–1 s ^–1 ，开 / 关比大于 10 ⁷ ，极限电流传输能力大于 6 mA μm ^–1 。

相关研究成果2025年3月13日以“ Homochiral carbon nanotube van der Waals crystals ”为题发表在 Science 上。

实验突破 ：首次在六方氮化硼（ hBN ）基底上直接生长出二维紧密排列的单壁碳纳米管（ SWNT ）阵列，展现出高度的取向一致性和均匀的手性，为 SWNT 在集成电路中的应用提供了高质量材料基础。

生长机制 ：通过分子动力学模拟揭示了 SWNT 阵列的自组装生长机制，发现其由管间范德华力驱动以及 SWNT 在原子级平坦且低摩擦的 hBN 基底上的滑动共同作用实现，为理解 SWNT 阵列的形成提供了理论依据。

性能优势 ：基于生长出的 SWNT 阵列构建的场效应晶体管（ FET ）在室温下展现出卓越的电学性能，包括高达约 2000 cm ² V ^–1 s ^–1 的载流子迁移率、大于 10 ⁷ 的开关比以及每微米超过 6 毫安的最大电流传输能力，显著优于以往报道的 SWNT 阵列或薄膜制备的器件。

应用潜力 ：这种具有均匀手性、高度取向和紧密排列的 SWNT 阵列，有望推动 SWNT 在纳米电子器件和电路中的实际应用，为下一代电子材料的发展提供了新的方向。

图 1. 紧密堆积的 SWNT 二维阵列结构

图 2. 同手性 SWNT 范德华晶体的表征

图 3.SWNT vdW 晶体的生长机制

图 4. 同手性 SWNT 阵列 FET 的电气性能