清華魏飛課題組Science Advances: 聲輔助組裝單色超長碳納米管線團

小柒 7年前 (2016-12-04) 8111瀏覽

 

%e9%ad%8f%e9%a3%9e

【摘要】

將全同手性、宏觀長度的單根超長碳納米管纏繞成線團，為制備高密度、手性一致碳納米管這一世紀難題提供了一條全新路線，在新一代碳基電子器件領域具有極大應用潛力。

【引言】

伴隨著可移動智能設備、云存儲和大數據處理的廣泛應用，快速發展的信息產業對下一代更快、更節能的半導體材料提出了更高的要求。碳納米管是一種具有狄拉克結構的一維碳納米材料，其獨特的電子空穴高遷移率與本征半導體結構使其具有其他材料難以比擬的優異性能。近年來，碳納米管在電子器件領域的應用取得重大突破，如斯坦福大學制備出世界上第一臺碳納米管計算機，威斯康星大學制備出準彈道運輸碳納米管陣列晶體管，碳納米管的高密度閃存也已出現商業化原型。2014年，IBM宣布投資30億美元開發以碳納米管為基礎的下一代計算機芯片，速度提高5倍的芯片原型有望在2020年實現。近些年來，我國進口芯片的花費已遠超進口石油的花費，怎樣利用我國碳納米材料研究的優勢實現在下一代半導體材料上的突破是碳納米管應用的一個重大問題。目前制約高性能碳納米管晶體管規模化應用的關鍵在于大量制備手性、帶隙一致的碳納米管材料。IBM于2013年在《自然》雜志中刊文明確材料指標：要想實現下一代基于碳納米管的高性能電子器件，碳納米管的半導體純度應達到99.9999%，密度應達到125根每微米，即制備出單一顏色的碳納米管粉體是碳納米管制備的終極目標。

【成果簡介】

近期，清華大學化工系魏飛教授團隊與北京大學彭練矛教授團隊及美國戴黎明教授等合作，將單根分米級長度、2 nm直徑的超長碳納米管原位卷繞成高密度、單色碳納米管線團。超長碳納米管的生長環境為穩定的層流流動，在生長階段后期向反應體系中引入低頻聲波，使得漂浮的超長碳納米管在渦流的作用下纏繞成平方毫米級面積大小的線團。觀察統計發現，線團的尺度與施加聲波的頻率和氣速有關，可以用自然界中描述魚擺尾或鳥揮翅產生推進力的斯特魯哈爾數（St=f·D/u））模型來表示。研究發現當聲波頻率、線圈的平均尺度與氣流速度之間滿足0.2<St<0.4時，自發地纏繞超長碳納米管滿足最小能量耗散機制。實現上述單色碳納米管線團的核心是使用了新型層流方形反應器在5片4英寸基底表面同時制備大面積超長碳納米管。進一步瑞利表征及拉曼表征說明，單根10厘米長碳納米管及纏繞成的線團具有單一顏色，手性結構一致。從中篩選出半導體性碳納米管線團制作晶體管器件，開關比10^3~10^6輸出電流4.4 mA，不僅實現了高開關比與高輸出電流兼備，而且也是目前基于單根碳納米管制作的晶體管器件最高輸出電流記錄。

【圖文導讀】

圖1 單色超長碳納米管線團的制備

1A)聲輔助制備超長碳納米管線團示意圖；B, C) 碳納米管線團SEM及HRTEM照片;

D) B中碳納米管線團內部線圈平均尺度統計

圖2 單色碳納米管線團的“聲誘導渦”生長機理與尺度調控

2A) 不同制備條件下碳納米管線團內部線圈尺度統計；B) 碳納米管線團不同形成條件下的斯特魯哈爾數；

C）碳納米管線團尺度控制規律

圖3 晶片級超長碳納米管單根手性一致性光學表征

3

A, B, C, D) 硅晶圓表面單根超長碳納米管手性一致性瑞利表征；E, F, G) A中超長碳納米管拉曼RBM峰位表征;

H, I) C, D中超長碳納米管拉曼RBM峰位表征；J) 超長碳納米管D峰與G峰拉曼表征，顯示無缺陷結構

圖4 單色超長碳納米管線團手性一致性光學表征

4A) 共振瑞利散射表征碳納米管線團示意圖B) 彩色碳納米管線團瑞利圖像;

C, D) 彩色碳納米管線團瑞利與掃描圖像；E, F) 彩色碳納米管線團的瑞利與拉曼表征

圖5 超長碳納米管與單色碳納米管線團光電性能

5

A, B) 基于碳納米管線團的背柵晶體管器件示意圖與掃描圖；C, D, E) 器件的轉移曲線、輸出曲線與光響應;

F, G) 單根超長碳納米管晶體管器件的轉移曲線與輸出曲線；H) 不同碳基器件應用標準估計

【結論】

該團隊利用聲場輔助方式實現一維超長碳納米管原位組裝纏繞，制備大面積、高密度、手性一致碳納米管線團。這種基于“聲誘導渦”作用體制下的組裝，可使原來十分難以操縱與分離的碳納米管，變為一個毫米級顆粒的識別與分撿問題，為大量制備單色碳納米管團粉體創造了一個可行的技術路線。對實現該材料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能的方法。

文獻鏈接：Acoustic-assisted assembly of an individual monochromatic ultralong carbon nanotube for high on-current transistors. (Science Advances 2016, 2: e1601572, DOI: 10.1126/sciadv.1601572)

本文由清華大學化工系魏飛教授課題組朱振興博士投稿，材料人網編輯整理，點我加入材料人編輯部，本文版權歸魏飛老師團隊所有，轉載請聯系原作者。

材料人網向各大團隊誠心約稿，課題組最新成果、方向總結、團隊訪談、實驗技能等皆可投稿，請聯系：郵箱tougao@cailiaoren.com 或 QQ：97482208。

儀器設備、試劑耗材、材料測試、數據分析，找材料人、上測試谷，感謝支持！

標簽：
分享到