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10月2日，清華大學(xué)化學(xué)工程系魏飛教授團隊題為“超純半導(dǎo)體性碳納米管的速率選擇生長”（ Rate selected growth of the ultrapure semiconducting carbon nanotube arrays）的論文在《自然-通訊》（Nature Communications）上在線發(fā)表。 該論文研究指出，碳納米管在生長過程中的原子組裝速率與其帶隙相互鎖定，金屬管數(shù)量隨長度的指數(shù)衰減速率比半導(dǎo)體管高出數(shù)量級，在長度達到154mm后可實現(xiàn)99.9999%超長半導(dǎo)體管陣列的一步法制備，這一方法為制備結(jié)構(gòu)完美、高純半導(dǎo)體管水平陣列這一世界性難題提供了一項全新的技術(shù)路線，對新一代碳基電子材料的可控制備具有重要價值。 隨著信息技術(shù)的高速發(fā)展，半導(dǎo)體芯片已成為數(shù)字經(jīng)濟和國家安全的重要基礎(chǔ)。近年來，以硅基材料為核心的摩爾定律宣告失效，在眾多替代材料中，碳納米管憑借納米級尺寸和優(yōu)異的電子空穴高遷移率成為新一代芯片電子的理想候選材料。美國國防高級研究計劃局宣布投資15億美元推進“電子復(fù)興計劃”，用于開發(fā)微型化、高性能碳納米管芯片。斯坦福大學(xué)和麻省理工學(xué)院相繼研發(fā)出碳納米管計算機和基于1.4萬個碳納米管晶體管構(gòu)筑的16位微處理器，充分展現(xiàn)了碳納米管在后硅時代的發(fā)展?jié)摿Α?br /> 我國在碳納米管電子器件及材料制備的工程應(yīng)用領(lǐng)域具有顯著優(yōu)勢，特別是在單根碳納米管晶體管無摻雜制備及最小碳納米管器件領(lǐng)域做出了眾多原創(chuàng)性貢獻。在碳納米管宏量制備領(lǐng)域，也已率先實現(xiàn)世界最高、千噸級產(chǎn)量聚團狀和垂直陣列狀碳納米管的批量制備，并在動力電池領(lǐng)域規(guī)�；瘧�(yīng)用。然而，碳納米管的結(jié)構(gòu)缺陷、手性結(jié)構(gòu)控制仍然是制約高性能碳基芯片應(yīng)用的關(guān)鍵問題。 為此，魏飛教授團隊專注結(jié)構(gòu)完美超長碳納米管的研發(fā)10余年，發(fā)現(xiàn)超長碳納米管在分米級長度上的結(jié)構(gòu)一致性，率先制備出世界上最長的550mm碳納米管，并驗證了碳納米管的數(shù)量隨長度呈現(xiàn)指數(shù)衰減的Schulz-Flory分布規(guī)律。進一步研究發(fā)現(xiàn)，金屬和半導(dǎo)體管的數(shù)量也各自滿足Schulz-Flory分布，但半導(dǎo)體管的半衰期長度是金屬管的10倍以上。拉曼散射、瑞利散射光學(xué)表征及同位素標記的生長速度測試表明，金屬與半導(dǎo)體管的半衰期長度差異源于碳納米管自身帶隙鎖定的生長速度�？s小非均相催化中外擴散與毒化過程的活化能差異，從而提高碳納米管的長度，是實現(xiàn)具有窄帶隙分布的半導(dǎo)體管陣列可控制備的關(guān)鍵。據(jù)此，該團隊設(shè)計層流方形反應(yīng)器，精準控制氣流場和溫度場并優(yōu)化恒溫區(qū)結(jié)構(gòu)，將催化劑失活幾率降至百億分之一，成功實現(xiàn)了超長水平陣列碳納米管在7片4英寸硅晶圓表面的大面積生長，最長長度650mm，單位反應(yīng)位點轉(zhuǎn)化數(shù)達到1.53×106 s-1，是一般工業(yè)反應(yīng)的上億倍。用154mm處的碳納米管陣列作為溝道材料制作的晶體管器件，開關(guān)比108，遷移率4000cm2/Vs以上，電流密度14 μA/ μm，首次展現(xiàn)了超長碳納米管在陣列水平的優(yōu)異電學(xué)性能。這種利用帶隙鎖定生長速度實現(xiàn)高純半導(dǎo)體管可控制備的方法，為原位自發(fā)提純半導(dǎo)體材料提供了一種全新路線，為發(fā)展新一代高性能碳基集成電子器件奠定了堅實的基礎(chǔ)。 該工作是魏飛教授團隊繼實現(xiàn)半米長碳納米管可控制備及原位卷繞成大面積、單手性碳納米管線團后的又一創(chuàng)新性工作，為實現(xiàn)碳納米管在高端電子產(chǎn)品及柔性電子器件中的應(yīng)用，推動國家微電子行業(yè)發(fā)展提供了可行的路線。 文章通訊作者為魏飛教授，第一作者為清華大學(xué)化工系2015級博士生朱振興，芬蘭阿爾托大學(xué)應(yīng)用物理系博士后魏楠、清華大學(xué)微電子系許軍教授及2016級博士生程為軍、清華大學(xué)化工系王垚副教授、張如范助理教授、博士生申博淵、孫斯磊、高俊參與了該工作。本項研究工作受到國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃、國家自然科學(xué)基金委及北京市科學(xué)技術(shù)委員會等項目的資助。 |
