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(tuán)隊(duì)通過對(duì)碳納米管成核的熱力學(xué)控制和生長(zhǎng)速度的動(dòng)力學(xué)控制，實(shí)現(xiàn)了碳納米管水平陣列的富集生長(zhǎng)，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(gè)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(duì)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(shí)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(zhǎng)技術(shù)中都會(huì)出現(xiàn)金屬性和半導(dǎo)體性單壁碳納米管共存，對(duì)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(tuán)隊(duì)長(zhǎng)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(jìn)展：提出“特洛伊”催化劑的概念，解決了催化劑聚集難題，實(shí)現(xiàn)了密度高達(dá)130根/微米的碳納米管水平陣列的生長(zhǎng)；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(shí)現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)碳納米管的控制生長(zhǎng)；通過對(duì)生長(zhǎng)過程的調(diào)控，實(shí)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(zhǎng)和小管徑陣列單壁碳納米管的生長(zhǎng)等。

基于多年的積累和探索，研究團(tuán)隊(duì)提出一種利用碳納米管與催化劑對(duì)稱性匹配的外延生長(zhǎng)新方法，即通過對(duì)碳管成核效率的熱力學(xué)控制和生長(zhǎng)速度的動(dòng)力學(xué)控制，實(shí)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(zhǎng)：用碳化鉬作催化劑，制備了純度高達(dá)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(dá)80%，結(jié)構(gòu)為（8，4）的半導(dǎo)體性碳納米管水平陣列。