碳納米管水平陣列的結(jié)構(gòu)控制生長取得突破

王晉嵐

[本刊訊]北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、納米化學(xué)研究中心張錦及其研究團隊通過對碳納米管成核的熱力學(xué)控制和生長速度的動力學(xué)控制，實現(xiàn)了碳納米管水平陣列的富集生長，相關(guān)成果于2017年2月15日在線發(fā)表于Nature。

集成電路芯片是現(xiàn)代信息技術(shù)的基石，約90%的現(xiàn)代電子芯片組成器件源于硅基CMOS器件。經(jīng)過半個世紀(jì)的快速發(fā)展，硅基CMOS技術(shù)已經(jīng)逼近其性能極限。單壁碳納米管（single-walledcarbon nanotubes，SWNTs）具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)等性能，尤其在納電子學(xué)上對電子和空穴都表現(xiàn)出超高的遷移率，被認(rèn)為是后摩爾時代最有潛力的CMOS集成電路的制備材料之一。根據(jù)碳納米管結(jié)構(gòu)，即手征（chirality）的不同，單壁碳納米管可以體現(xiàn)出金屬性或半導(dǎo)體性。目前，幾乎所有的材料生長技術(shù)中都會出現(xiàn)金屬性和半導(dǎo)體性單壁碳納米管共存，對相同手征結(jié)構(gòu)碳納米管的精確控制，已成為碳基電子學(xué)發(fā)展的瓶頸。

研究團隊長期致力于碳納米管的結(jié)構(gòu)控制制備方法的研究，取得了一系列重要進展：提出“特洛伊”催化劑的概念，解決了催化劑聚集難題，實現(xiàn)了密度高達130根/微米的碳納米管水平陣列的生長；發(fā)展雙金屬催化劑、半導(dǎo)體氧化物催化劑和碳化物催化劑，實現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)碳納米管的控制生長；通過對生長過程的調(diào)控，實現(xiàn)了密度大于100根/微米，半導(dǎo)體含量大于90%的碳納米管陣列的生長和小管徑陣列單壁碳納米管的生長等。

基于多年的積累和探索，研究團隊提出一種利用碳納米管與催化劑對稱性匹配的外延生長新方法，即通過對碳管成核效率的熱力學(xué)控制和生長速度的動力學(xué)控制，實現(xiàn)了手性結(jié)構(gòu)為（2m，m2）的碳納米管水平陣列的富集生長：用碳化鉬作催化劑，制備了純度高達90%，結(jié)構(gòu)為（12，6）的金屬性碳納米管水平陣列；用碳化鎢作催化劑，制備了純度可達80%，結(jié)構(gòu)為（8，4）的半導(dǎo)體性碳納米管水平陣列。