“廣東機(jī)械力讓碳管的定向更有效，通過(guò)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(shuō)道。

（來(lái)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(duì)這種定向現(xiàn)象進(jìn)行了科學(xué)解析。

該研究通過(guò)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(wú)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(lái)源：Nature Nanotechnology）

北京時(shí)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(wú)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(lài)液相法實(shí)現(xiàn)。但高分子[章]或表面活性劑的吸附會(huì)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(guò)“軟鎖抽絲”的方法對(duì)碳納米管實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制，讓它們從雜亂無(wú)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(lái)源：Nature Nanotechnology）

但這個(gè)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(huì)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(lái)。碳納米管的直徑在納米量級(jí)（頭發(fā)直徑的萬(wàn)分之一、甚至十萬(wàn)分之一），長(zhǎng)度卻可以達(dá)到毫米甚至厘米級(jí)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(guò)程中，碳管是否會(huì)發(fā)生定向。但后續(xù)的表征、檢測(cè)都比較困難。

圖丨孔敬教授課題組部分成員（來(lái)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(wú)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(huì)發(fā)生碳納米管定向的現(xiàn)象。但仍有一系列問(wèn)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(píng)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(lái)源：Nature Nanotechnology）

起初，他們嘗試用剛性模型來(lái)解釋碳管的定向過(guò)程，雖然能在一定程度上解釋?zhuān)杂芯窒扌浴：髞?lái)，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(lèi)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(lái)源：Nature Nanotechnology）

在電學(xué)層面，碳管電極載流能力高的優(yōu)勢(shì)也可用“火車(chē)運(yùn)行”來(lái)類(lèi)比。也就是說(shuō)，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(chē)車(chē)頭的驅(qū)動(dòng)力——驅(qū)動(dòng)力越強(qiáng)，可以加掛的車(chē)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(huì)帶來(lái)寄生電容等的增加，限制信號(hào)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(wèn)題，都可以通過(guò)使用“驅(qū)動(dòng)力”更為強(qiáng)勁的廣東金屬性碳管束來(lái)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(lái)做透明導(dǎo)電電極[來(lái)]。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(méi)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(guò)程造成的晶體管源漏區(qū)域的材料損傷。

對(duì)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(duì)容易，更容易實(shí)現(xiàn)更低的接觸電阻?！?/p>

該團(tuán)隊(duì)通過(guò)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(guò)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(jí)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(lái)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(kāi)，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(lái)可以利用該技術(shù)獲得更高質(zhì)量、晶圓級(jí)的半導(dǎo)體性碳納米管的[機(jī)]定向陣列，這將對(duì)整個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生推動(dòng)作用。”

郭蕓帆認(rèn)為，廣東很多研究關(guān)注從生長(zhǎng)的角度提高半導(dǎo)體型碳管的生長(zhǎng)密度。如果能在這種定向技術(shù)的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)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(lái)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(jià)值?！彼f(shuō)。

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(duì)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(shuō)。

“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(shí) 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(píng)價(jià)。在一次次回復(fù)期刊審稿意見(jiàn)的過(guò)程中，該團(tuán)隊(duì)逐步深入地思考相關(guān)廣東的科學(xué)問(wèn)題，同時(shí)發(fā)動(dòng)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(guò)程既充滿挑戰(zhàn)，也收獲了越來(lái)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(jí)時(shí)，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(kāi)展之后的工作。

圖丨師恩政課題組（來(lái)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(zhuān)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(cè)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(lái)源：師恩政、朱嘉迪）

郭蕓帆表示，因好奇心的驅(qū)動(dòng)會(huì)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(gè)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。