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突破30年难题，纯手性碳纳米管阵列“问世” 向芯片应用再进一步
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突破30年难题，纯手性碳纳米管阵列“问世” 向芯片应用再进一步 时隔11个月，上海交通大学（以下简称上海交大）教授史志文团队与合作者再发顶刊。 去年4月，他们在实验室“种”出世界最长、性能最优的石墨烯纳米带，成果发表在《自然》。这个阳春三月，他们又有所收获，首次成功制备出紧密排列、手性单一的单壁碳纳米管阵列，实现了碳纳米管从无序生长到有序阵列的突破。成果北京时间3月14日发表于《科学》。 “这是朝着单晶梦迈出的一大步。”“作者发现了一些非常有价值的东西，可能对领域产生重大影响。”“创新性强、有冲击力、文章写得好，值得在《科学》上发表。”三位国际审稿人给出的评价都非常高。 排列整齐、手性一致的单壁碳纳米管。受访者供图 30年难题获突破 碳纳米管自1991年被发现以来，一直被视为下一代计算机芯片的理想材料。这种一维材料直径只有1纳米，是“最细”的半导体材料，但其电子迁移率却远超传统硅材料，为制造更小、更快、更节能的晶体管提供了可能。 在实际应用中，需要将大量的碳纳米管以高度有序的方式排列在一起，以提高一致性和功能性。然而，现有的两种主要制备方法——受控的化学气相沉积生长和使用后生长技术组装碳纳米管仍存在不少缺陷。前者存在手性不均一的问题，后者存在因表面活性剂和聚合物导致质地不纯净的问题，且两者都存在碳纳米管捆绑和排列紊乱的问题。 国内外许多科学家都在尝试攻克这些严重限制碳纳米管集成电路应用的难题。例如北京大学彭练矛院士团队就走在这一领域的世界前沿，通过对随机生长的碳纳米管进行纯化处理，将其纯度提升到99.99%甚至更高，实现了在集成电路上的初步应用。北京大学张锦院士、李彦教授通过采用特殊的生长基底或催化剂也使得碳纳米管的手性单一度达到90%以上。“这些都是非常了不起的工作。”史志文对《中国科学报》说。 然而，如何直接生长出紧密排列、手性单一，可承载高电流密度的半导体性碳纳米管阵列？这仍然是全球领域内科学家的努力方向。 史志文团队通过采用原子级平整的六方氮化硼为基底，利用其超润滑特性，在基底上直接生长出规律性地整齐密排、手性单一的单壁碳纳米管自组装阵列，实现了这一领域科学家30多年来的理想追求。 “氮化硼基底的超平滑特性，使得生长出的碳纳米管能够在基底上自由滑移，并自组装成高度有序的阵列结构。这种方法不仅解决了碳纳米管生长中的结构控制难题，还实现了手性高度一致的阵列。”史志文向《中国科学报》解释道。 在史志文团队的论文中，可以看到被放大后的碳纳米管宛如一根灵动的“面条”，在氮化硼基底上自由、反复折叠，形成“桥梁”“单行道”“玉佩”“操场跑道”等多种阵列形状。“碳管在平滑的基底上滑移时，遇到障碍物后就会拐弯，靠着它自身和自身之间的范德华吸引力，贴在一起。因为一根碳管自身的结构和性质是均匀不变的，自组装形成的阵列结构和性质也会如此，每一段平行排列、紧密相邻的碳管结构和手性都一模一样。”史志文解释说。 碳纳米管折叠后自组装形成的不同形状。受访者供图 在器件性能方面，该团队与中国科学院物理研究所研究员张广宇团队开展合作研究，所得到的碳纳米管阵列晶体管表现卓越：载流子迁移率高达2000平方厘米每伏每秒，开关比高达107，超过普遍的105~106的可用标准，开态电流密度约为1.2毫安每微米，优于硅基电路发展路线图中对未来数年的预期指标。 “好运气”与“精打磨” 谈起这项研究背后的故事，史志文笑言：“有运气成分在里面。” 在碳纳米管研究与产出的三十多年历程中，不乏有团队生长出“米级”碳管，但无人发现碳管可通过“自折叠”和“自组装”实现结构的均匀密排和手性结构的一致性。史志文团队大胆尝试六方氮化硼基底与碳纳米管的新组合，“意外好运”地收获了一系列有趣的新材料——性能优异的超长石墨烯纳米带、单一手性密排碳纳米管阵列。 “做科学研究，运气有时候蛮重要，运气好时能发现许多新事物，运气不好时，可能两三年都是沉寂的状态。”史志文说。 不过，运气不会凭空而来。在史志文看来，尝试别人没做过的事情是一个关键所在。“这就像挖矿，你一定要去探索那些别人没有探过的地方，才有更大的机会能发现一些有价值的新事物。”他说。 史志文表示，实际科研过程，导师往往只是指明大的探索方向，告诉学生哪个地方可能有“金矿”，但能不能找到矿，关键还要看学生。“我要感谢我的学生，他们总能敏锐地捕捉到有价值的新事物，在后续的研究中也非常努力。”他说。 “2022年，师兄陈佳俊博士（论文共同一作兼共同通讯）最早发现碳纳米管自组装形成密排阵列的现象，当时我们课题组的人都很兴奋，大家都预感到这将是一项重大成果。”史志文团队博士生张智淳对《中国科学报》说。 2023年7月陈佳俊博士毕业后，张智淳、陈一和沈沛约（均为论文共同第一作者）接力该项目研究，他们坚持不懈的努力，让团队实现了较稳定的碳管阵列产出，最终取得重大突破。 如何将这个重磅成果发表在一流期刊上让更多的同行关注到呢？这也是摆在研究团队面前的一道不小的难题。史志文强调：“好的科研成果需要‘精打细磨’。” 史志文所说的“打磨”，就是去伪存真，用精准的数据与图像，以最直观、简洁的方式将科学发现的本来面目展现出来。 在他们的这项研究中，有一幅看似很普通的图——数十根整齐排列的碳纳米管阵列的横截面图，就像被整齐切断的“空心面条”。 像被整齐切断的“空心面条”一样，整齐排列的碳纳米管阵列的横截面图。受访者供图 但获取这幅图的难度却与“在案板上切面条”不可同日而语。史志文向记者介绍：“人的头发丝直径约50微米，而单个碳纳米管直径不足头发丝的万分之一。”由于碳纳米管极为细小，在宏观层面根本无法看到单个碳管，检测其整齐排列更是难上加难。在透射电子显微镜下寻找样品，犹如大海捞针，而且获取图像时，电子束必须调整到与样品管子方向完全平行，否则无法看到碳管的环状结构。想要观测到整齐的碳管阵列的横截面，可谓古人过蜀道——难如登天。 起初，陈佳俊前往上海交通大学分析测试中心尝试获取图像，连续奋战几天几夜，却一无所获。于是，团队开始寻求更专业的人士，然而在接连找寻两个合作团队，研究了近一年后，问题始终未能攻克。最后，合作者又推荐了浙江大学材料系教授金传洪，借助金传洪团队在碳纳米管成像技术方面的丰富经验，最终成功获得了理想的图像。 “光是为了得到这幅图，我们团队就花费了近两年时间。”史志文告诉记者。 除此之外，团队成员还开展了大量实验，获取了丰富的实验证据。通过扫描探针技术表征，证实了碳管排列良好、取向一致；拉曼光谱显示碳管直径统一；瑞利光谱表明其手性结构一致，充分证明了阵列内碳管之间毫无差异。 不止如此，为弄清碳纳米管如何在六方氮化硼上自组装，他们还与武汉大学教授欧阳稳根合作开展了大量理论研究，对碳纳米管的生长过程，包括自组装的原因、摩擦力和范德华作用力的大小等进行了深入分析。“最终，我们经过反复沟通、分析，才构建出完善的理论模型。”论文共同第一作者、在两个合作团队之间发充当“润滑剂”的博士生陈一对《中国科学报》说。 这些工作为最初的科学发现提供了充分、直观的科学证据。2024年10月底，团队将撰写完成的论文投稿至《科学》杂志编辑部。令人惊喜的是，此后的审稿流程进展迅速：两周左右论文被送往外审，不到两个月便收到三位同行评议人的高度评价回复。今年2月中旬，论文在投出三个多月后顺利被接受，到最终发表历时仅四个多月。 “从投稿到最终接收，我们一个数据都没用补充。因为前期已经打磨得充分。”史志文自信地说。 史志文（右一）和团队中的论文作者陈佳俊、陈一、张智淳（从左至右）。受访者供图 “做点不一样的，做点新的” “碳纳米管从无序生长到有序阵列生长的突破，为深入研究碳纳米管的基本物性提供了理想模型，有助于科学家进一步探索其量子特性。在应用领域，我们的研究也为碳纳米管在半导体器件，尤其是芯片制造领域的应用带来新希望。”史志文如是解读这项研究成果的意义。 尽管研究成果收获了诸多赞誉，史志文却坦承，目前的研究仍存在不足。要实现碳纳米管阵列的实际应用，还面临两大难题：一是让碳纳米管生长得足够长；二是深入了解其性能机理，实现对其自组装过程的精准控制。 “现在，我们一个阵列的尺寸只能做到数微米长、数百纳米宽。下一步如果能够把单根碳纳米管长到毫米级、厘米级，甚至是米级长度，再把它折叠起来，阵列的尺寸就会很可观。”史志文说，若能攻克大规模制备难题，碳纳米管有望凭借其出色的电学性能，成为新一代芯片材料，推动集成电路向更小尺寸、更高频率、更低能耗的方向迈进。 展望未来的研究，史志文回忆起十多年前在中国科学院物理研究所读博时，导师王恩哥院士常说的一句话：“Do something different，do something new”（做点不一样的，做点新的）。 他认为，团队的研究之所以能够取得重大发现，一个关键点在于在研究起点上选择了与他人不同的路。如今，他也希望将这一理念传递给学生和更多人，激励他们在科研道路上不断创新、勇攀高峰。 （实习生宋书扉对本文亦有贡献） 相关论文信息： https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu1756 |
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