“廣東機(jī)械力讓碳管的定向更有效，通過在尼龍濾膜加入乙醇，改變不同方向的摩擦力，使碳管的軌跡更可控，進(jìn)而達(dá)到單壁碳納米管近乎完美的水平定向?！?談及這項(xiàng)“醞釀”了十年的研究，作為共同通訊作者兼共同一作、西湖大學(xué)特聘研究員師恩政這樣說道。

（來源：該團(tuán)隊(duì)）

近日，廣東多科研團(tuán)隊(duì)以“軟鎖抽絲”組裝法，利用剛性介質(zhì)（表面包裹著乙醇的軟尼龍濾膜），實(shí)現(xiàn)了單壁碳納米管束的高度水平定向，還創(chuàng)新性地建立了“貪吃蛇”的柔性模型，對這種定向現(xiàn)象進(jìn)行了科學(xué)解析。

該研究通過機(jī)械力實(shí)現(xiàn)了高定向準(zhǔn)度、廣東高堆積密度和高電流承載力的超潔凈碳納米管束水平陣列的無損組裝。并將其首次用作高密度單層二硫化鉬（MoS2）晶體管廣東陣列中的源漏納米電極，展現(xiàn)出了高載流密度、低接觸電阻等優(yōu)異性能。該技術(shù)為高密度集成電路、柔性電子學(xué)等應(yīng)廣東用提供了新的思路。

圖丨相關(guān)論文（來源：Nature Nanotechnology）

北京時間 1 月 21 日，相關(guān)論文以《用于納米電極的超順排碳納米管管束的軟鎖定向》（Soft-lockdrawing of super-aligned carbon nanotube bundles for nanometer electricalcontacts）為題發(fā)表在 Nature Nanotechnology[1]。

該研究由麻省理工學(xué)院（MIT）孔敬（Jing Kong）課題組、托馬斯·帕拉西奧斯（Tomás Palacios）課題組、西湖大學(xué)師恩政課題組和北京大學(xué)曹安源課題組聯(lián)合完成[文]。

“廣東大力出奇跡”：將碳納米管的無序狀態(tài)“一鍵整理”

在以往的研究中，碳納米管的定向技術(shù)或組裝技術(shù)絕大多數(shù)依賴液相法實(shí)現(xiàn)。但高分子[章]或表面活性劑的吸附會造成碳納米管的表面污染，影響后續(xù)電學(xué)器件的制備和性能。

該團(tuán)隊(duì)采用酒廣東精輔助下的機(jī)械力定向，避免引入表面活性劑，從而獲得了清潔的碳管表面。在該研究中，通過“軟鎖抽絲”的方法對碳納米管實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制，讓它們從雜亂無序的狀態(tài)“一鍵還原”到整齊排列。

實(shí)現(xiàn)了具有高載流密度（～1.8×108 A/cm2）、高定向度（角度標(biāo)準(zhǔn)偏差為 0.03～0.13°）、高堆積密度（～400/μm）廣東的碳納米管管束陣列的可控組裝。

圖丨“軟鎖抽絲”法示意圖及碳納米管定向效果 SEM 圖（來源：Nature Nanotechnology）

但這個方法的獲得并非一蹴而就。在 2011 年，師恩政想基于碳納米管導(dǎo)電性強(qiáng)、力學(xué)性能強(qiáng)等特點(diǎn)同聚丙烯纖維復(fù)合，得到高韌性、高導(dǎo)電的復(fù)合纖維。他發(fā)現(xiàn)，廣東當(dāng)纖維拉伸后會產(chǎn)生巨大的塑性形變，使得碳納米管得到了一定的取向。

有了這一新的發(fā)現(xiàn)后，困難也隨之而來。碳納米管的直徑在納米量級（頭發(fā)直徑的萬分之一、甚至十萬分之一），長度卻可以達(dá)到毫米甚至厘米級別，且其材質(zhì)柔韌，因此定向廣東度往往并不理想。

于是，他嘗試了一些很有意思的方法，例如把碳納米管薄膜包覆在黃豆表面，觀察在黃豆生根發(fā)芽過程中，碳管是否會發(fā)生定向。但后續(xù)的表征、檢測都比較困難。

圖丨孔敬教授課題組部分成員（來源：郭蕓帆，左四為孔敬教授，右三為廣東郭蕓帆博士，右二為朱嘉迪同學(xué)，左一為王江濤博士）

2014 年，師恩政偶然發(fā)現(xiàn)，無序的碳納米管薄膜在隨機(jī)狀態(tài)下，用鑷子輕輕“刮一刮”，就會發(fā)生碳納米管定向的現(xiàn)象。但仍有一系列問題有待探究，比如，這種定向組裝的精準(zhǔn)可控程度可達(dá)到多少？背后的廣東機(jī)理是什么？定向后的碳納米管有何用處？

2018 年，師恩政與該論文的共同一作、在 MIT 從事博士后研究的郭蕓帆博士及其博士后導(dǎo)師孔敬教授討論并提出，用多種實(shí)驗(yàn)手段評估碳納米管束陣列的定向度、密度、普適性、理論機(jī)制和應(yīng)用探索，即嘗試將金屬廣東性超順排碳管作為納米尺度的源漏電極。

圖丨水平超定向碳納米管束陣列的各項(xiàng)結(jié)構(gòu)性能與載流能力（來源：Nature Nanotechnology）

起初，他們嘗試用剛性模型來解釋碳管的定向過程，雖然能在一定程度上解釋，但仍有局限性。后來，在組內(nèi)王江濤博士的幫助下，逐步建廣東立了完整的數(shù)理模型，并改用柔性模型解釋碳管的彎曲和“去糾纏”。

郭蕓帆表示，碳管的定向類似于追逐食物的“貪吃蛇”，可以在機(jī)械力的牽引下，很好地按照預(yù)定軌跡完成。

圖丨“軟鎖抽絲”法機(jī)制分析（來源：Nature Nanotechnology）

在電學(xué)層面，碳管電極載流能力高的優(yōu)勢也可用“火車運(yùn)行”來類比。也就是說，廣東單位橫截面積導(dǎo)體的載流能力是有限的，相當(dāng)于列車車頭的驅(qū)動力——驅(qū)動力越強(qiáng)，可以加掛的車廂越多，能實(shí)現(xiàn)的單列載客量也越多。

因此，使用傳統(tǒng)金屬的引線，如果想要承載更大的電流，就必然要增加橫截面積。但廣東這通常會帶來寄生電容等的增加，限制信號的傳輸速度，導(dǎo)致能量損耗，也不利于芯片的進(jìn)一步小型化。但這些問題，都可以通過使用“驅(qū)動力”更為強(qiáng)勁的廣東金屬性碳管束來解決。

有望應(yīng)用于低維半導(dǎo)體與硅基器件的集成，或純低維材料 3D 堆疊

在宏觀的尺度上，金屬性碳管因透明度高和優(yōu)異的導(dǎo)電性能，常被用來做透明導(dǎo)電電極[來]。而在納米尺度下，金屬性碳納米管能將它的本征性能發(fā)揮到最大化。

基于這種潔凈、高載流密度的超順排碳納米管陣列，該研究創(chuàng)新性地將其用作二硫化鉬[自]晶體管陣列中的源漏納米電極，并實(shí)現(xiàn)了較低的接觸電阻（最低接觸電阻 1.6kΩ·μm，平均值約 2.1kΩ·μm）。

由于碳管和二維材料的表面都是干凈的、沒有懸掛鍵，且不需要淀積金屬電極，從而有[顆]效避免了因?yàn)槲锢淼矸e過程造成的晶體管源漏區(qū)域的材料損傷。

對此，該論文共同一作、MIT 廣東電子工程系博士生朱嘉迪解釋道：“碳管和源漏區(qū)域的二維材料界面形成的良好范德瓦爾斯接觸規(guī)避了費(fèi)米釘扎效應(yīng)，因此電荷注入相對容易，更容易實(shí)現(xiàn)更低的接觸電阻?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)通過低維材料的堆疊，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了基于低維材料體系的廣東器件和電路。并展現(xiàn)該技術(shù)的兩種應(yīng)用前景，一是低維半導(dǎo)體材料器件與硅基器件的集成，二是由純低維材料的三維集成。

在這些應(yīng)用中，金屬性碳納米管可以作為二維材料的源漏電極、電路的互連線，甚至可[粒]以作為具有極小面積的片上射頻天線。

此外，廣東由于單壁碳納米管的直徑可以達(dá)到約 1nm，該技術(shù)為實(shí)現(xiàn)極端物理尺寸的微電子器件和互連線提供了新的思路。通過進(jìn)一步優(yōu)化碳納米管的分散和定向效果，該技術(shù)有望為將傳統(tǒng)微電子“自頂向下”的加工策略改變?yōu)椤白缘紫蛏稀钡募{米級組廣東裝提供更多可能性。

圖丨水平超定向碳納米管束陣列應(yīng)用于高密度單層 MoS2 晶體管的納米電極（來源：Nature Nanotechnology）

該技術(shù)初步展現(xiàn)了一種新的碳納米管定向方法，但仍有優(yōu)化空間。從材料角度，碳管間距、粗細(xì)的均勻性分布和高質(zhì)量方面需繼續(xù)優(yōu)化，以達(dá)到更加廣東可控的效果。如何把碳納米管管束中的碳管分散開，讓它再獨(dú)立成單根的碳管，將是該團(tuán)隊(duì)下一步的探索方向。

師恩政表示，“希望未來可以利用該技術(shù)獲得更高質(zhì)量、晶圓級的半導(dǎo)體性碳納米管的[機(jī)]定向陣列，這將對整個領(lǐng)域產(chǎn)生推動作用?！?/p>

郭蕓帆認(rèn)為，廣東很多研究關(guān)注從生長的角度提高半導(dǎo)體型碳管的生長密度。如果能在這種定向技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過后續(xù)的“去管束化”（de-bundle）進(jìn)一步分解，也是值得探索的方向。

“從尺寸微縮和精準(zhǔn)操控的層面，未來可能在亞納米尺度進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)一維碳材料的人工操縱。廣東希望該技術(shù)可以在后摩爾電子學(xué)的研究中貢獻(xiàn)它的價值。”她說。

從器件和電路的角度，“需要進(jìn)一步降低接觸電阻，設(shè)計(jì)基于碳納米管電極的利于集成的自對準(zhǔn)器件結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提升器件性能并構(gòu)建適用于電路仿真的器件模型和互連線模型，廣東并實(shí)現(xiàn)電路-器件-材料的協(xié)同優(yōu)化?！敝旒蔚险f。

“十年窺一管”，用堅(jiān)韌的科學(xué)態(tài)度將研究做到極致

該研究歷時 11 年，受到了領(lǐng)域內(nèi)知名學(xué)者及研究機(jī)構(gòu)的高度關(guān)注，并給予積極評價。在一次次回復(fù)期刊審稿意見的過程中，該團(tuán)隊(duì)逐步深入地思考相關(guān)廣東的科學(xué)問題，同時發(fā)動身邊的合作者，一起探討更多的可能性。

所以，“十年窺一管”的研究過程既充滿挑戰(zhàn)，也收獲了越來越多的“驚喜”。2011 年，師恩政在北京大學(xué)曹安源教授課題組讀研究生二年級時，首次發(fā)現(xiàn)了這種有趣的現(xiàn)象。在其博士后期間，偶然和廣東校友郭蕓帆聊起該課題，得到了她的大力支持，并決定在 MIT 繼續(xù)開展之后的工作。

圖丨師恩政課題組（來源：師恩政）

隨著研究的深入，機(jī)理逐漸清晰，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也愈發(fā)全面。但在探索后續(xù)應(yīng)用的研究中，需要更高超的微納加工技術(shù)和更專注的精力投入。

2020 年，廣東朱嘉迪正式加入到該團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)器件結(jié)構(gòu)和晶體管陣列的設(shè)計(jì)、加工和測試。他的主要研究方向?yàn)樾滦臀㈦娮悠骷?，博士?dǎo)師是托馬斯·帕拉西奧斯（Tomás Palacios）教授。

圖 | 北京大學(xué)曹安源教授（左）和 MIT 托馬斯·帕拉西奧斯（Tomás Palacios）教授（來源：師恩政、朱嘉迪）

郭蕓帆表示，因好奇心的驅(qū)動會發(fā)現(xiàn)“有趣” 的科學(xué)現(xiàn)象或者探索“有用”的應(yīng)用研究。而在這個工作中，我們也學(xué)到了要以堅(jiān)韌的科學(xué)態(tài)度去證明或優(yōu)化最初的發(fā)現(xiàn)，然后將它做到極致。