清华魏飞课题组Science Advances: 声辅助组装单色超长碳纳米管线团

小柒 8年前 (2016-12-04) 8519浏览

 

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【摘要】

将全同手性、宏观长度的单根超长碳纳米管缠绕成线团，为制备高密度、手性一致碳纳米管这一世纪难题提供了一条全新路线，在新一代碳基电子器件领域具有极大应用潜力。

【引言】

伴随着可移动智能设备、云存储和大数据处理的广泛应用，快速发展的信息产业对下一代更快、更节能的半导体材料提出了更高的要求。碳纳米管是一种具有狄拉克结构的一维碳纳米材料，其独特的电子空穴高迁移率与本征半导体结构使其具有其他材料难以比拟的优异性能。近年来，碳纳米管在电子器件领域的应用取得重大突破，如斯坦福大学制备出世界上第一台碳纳米管计算机，威斯康星大学制备出准弹道运输碳纳米管阵列晶体管，碳纳米管的高密度闪存也已出现商业化原型。2014年，IBM宣布投资30亿美元开发以碳纳米管为基础的下一代计算机芯片，速度提高5倍的芯片原型有望在2020年实现。近些年来，我国进口芯片的花费已远超进口石油的花费，怎样利用我国碳纳米材料研究的优势实现在下一代半导体材料上的突破是碳纳米管应用的一个重大问题。目前制约高性能碳纳米管晶体管规模化应用的关键在于大量制备手性、带隙一致的碳纳米管材料。IBM于2013年在《自然》杂志中刊文明确材料指标：要想实现下一代基于碳纳米管的高性能电子器件，碳纳米管的半导体纯度应达到99.9999%，密度应达到125根每微米，即制备出单一颜色的碳纳米管粉体是碳纳米管制备的终极目标。

【成果简介】

近期，清华大学化工系魏飞教授团队与北京大学彭练矛教授团队及美国戴黎明教授等合作，将单根分米级长度、2 nm直径的超长碳纳米管原位卷绕成高密度、单色碳纳米管线团。超长碳纳米管的生长环境为稳定的层流流动，在生长阶段后期向反应体系中引入低频声波，使得漂浮的超长碳纳米管在涡流的作用下缠绕成平方毫米级面积大小的线团。观察统计发现，线团的尺度与施加声波的频率和气速有关，可以用自然界中描述鱼摆尾或鸟挥翅产生推进力的斯特鲁哈尔数（St=f·D/u））模型来表示。研究发现当声波频率、线圈的平均尺度与气流速度之间满足0.2<St<0.4时，自发地缠绕超长碳纳米管满足最小能量耗散机制。实现上述单色碳纳米管线团的核心是使用了新型层流方形反应器在5片4英寸基底表面同时制备大面积超长碳纳米管。进一步瑞利表征及拉曼表征说明，单根10厘米长碳纳米管及缠绕成的线团具有单一颜色，手性结构一致。从中筛选出半导体性碳纳米管线团制作晶体管器件，开关比10^3~10^6输出电流4.4 mA，不仅实现了高开关比与高输出电流兼备，而且也是目前基于单根碳纳米管制作的晶体管器件最高输出电流记录。

【图文导读】

图1 单色超长碳纳米管线团的制备

1A)声辅助制备超长碳纳米管线团示意图；B, C) 碳纳米管线团SEM及HRTEM照片;

D) B中碳纳米管线团内部线圈平均尺度统计

图2 单色碳纳米管线团的“声诱导涡”生长机理与尺度调控

2A) 不同制备条件下碳纳米管线团内部线圈尺度统计；B) 碳纳米管线团不同形成条件下的斯特鲁哈尔数；

C）碳纳米管线团尺度控制规律

图3 晶片级超长碳纳米管单根手性一致性光学表征

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A, B, C, D) 硅晶圆表面单根超长碳纳米管手性一致性瑞利表征；E, F, G) A中超长碳纳米管拉曼RBM峰位表征;

H, I) C, D中超长碳纳米管拉曼RBM峰位表征；J) 超长碳纳米管D峰与G峰拉曼表征，显示无缺陷结构

图4 单色超长碳纳米管线团手性一致性光学表征

4A) 共振瑞利散射表征碳纳米管线团示意图B) 彩色碳纳米管线团瑞利图像;

C, D) 彩色碳纳米管线团瑞利与扫描图像；E, F) 彩色碳纳米管线团的瑞利与拉曼表征

图5 超长碳纳米管与单色碳纳米管线团光电性能

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A, B) 基于碳纳米管线团的背栅晶体管器件示意图与扫描图；C, D, E) 器件的转移曲线、输出曲线与光响应;

F, G) 单根超长碳纳米管晶体管器件的转移曲线与输出曲线；H) 不同碳基器件应用标准估计

【结论】

该团队利用声场辅助方式实现一维超长碳纳米管原位组装缠绕，制备大面积、高密度、手性一致碳纳米管线团。这种基于“声诱导涡”作用体制下的组装，可使原来十分难以操纵与分离的碳纳米管，变为一个毫米级颗粒的识别与分捡问题，为大量制备单色碳纳米管团粉体创造了一个可行的技术路线。对实现该材料在高端电子产品及柔性电子器件中的应用，推动国家微电子行业发展提供了可能的方法。

文献链接：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)

本文由清华大学化工系魏飞教授课题组朱振兴博士投稿，材料人网编辑整理，点我加入材料人编辑部，本文版权归魏飞老师团队所有，转载请联系原作者。

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