清华化工系魏飞研究组发文揭示原位缠绕超长碳纳米管制备单色碳纳米管线团

发布时间:2016-12-10

  近日,清华大学化学工程系魏飞教授研究组在《科学-进展》(Science Advances)在线发表题为“声辅助组装单根单色超长碳纳米管用于高电流输出晶体管”(Acoustic-assisted assembly of an individual monochromatic ultralong carbon nanotube for high on-current transistors)论文。研究指出,将全同手性、宏观长度的单根超长碳纳米管缠绕成大面积线团,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。

  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。碳纳米管电子空穴高迁移率与本征半导体结构使其具有优异的电学性能,有望取代硅成为下一代碳基集成电路的核心材料。如何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从而摆脱芯片长期依赖进口的局面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制备大量手性一致、高密度的碳纳米管材料。IBM表示:要想实现下一代基于碳纳米管的高性能电子器件,其半导体纯度应达到99.9999%,密度应达到125根每微米,即制备出单一颜色、相同手性的碳纳米管粉体是碳纳米管制备的终极目标。


单色超长碳纳米管线团的制备及瑞利表征示意。

  为此,魏飞教授带领团队将单根分米级长度、2 纳米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。采用的方法是,向超长碳纳米管所处稳定的层流生长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。实现上述单色碳纳米管线团的另一核心是使用了作者设计开发的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。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模型来表示,其自发的组装过程满足最小能量耗散机制。这种碳纳米管线团具有全同手性结构,在超连续激光激发下呈现单一颜色。根据颜色及光谱信息,筛选出半导体性碳纳米管线团制作晶体管器件,开关比103~106,输出电流4.4毫安,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。这种利用单根宏观长度、结构一致的超长碳纳米管卷绕成微米至毫米级单色线团,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线团粉体创造了一个可行的技术路线。

  该工作是魏飞教授团队继2013年制备出世界上最长半米长碳纳米管后又一创新性应用工作,为实现碳纳米管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。文章通讯作者为魏飞教授,第一作者为清华大学化工系2015级博士生朱振兴、北京大学信息科学技术学院博士生魏楠与清华大学化工系2012级博士生谢欢欢,参与该工作的还有北京大学彭练矛教授和美国凯斯西储大学戴黎明教授。本项研究工作受到国家重点基础研究发展计划、国家自然科学基金委及北京市科学技术委员会等项目的资助。

论文链接:http://advances.sciencemag.org/content/2/11/e1601572

相关论文链接:
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nn401995z
http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.200902746/abstract;jsessionid=
8FCC04154BAAAE5070B18E5013A4DC1E.f03t03

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