清華化工系魏飛團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)一步法制備純度99.9999%半導(dǎo)體碳納米管陣列
清華新聞網(wǎng)10月10日電 10月2日，清華大學(xué)化學(xué)工程系魏飛教授團(tuán)隊(duì)在《自然·通訊》（Nature Communications）上在線(xiàn)發(fā)表題為“超純半導(dǎo)體性碳納米管的速率選擇生長(zhǎng)”（Rate selected growth of the ultrapure semiconducting carbon nanotube arrays）的論文。論文研究指出，碳納米管在生長(zhǎng)過(guò)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(zhǎng)度的指數(shù)衰減速率比半導(dǎo)體管高出數(shù)量級(jí)，在長(zhǎng)度達(dá)到154mm后可實(shí)現(xiàn)99.9999%超長(zhǎng)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(xiàng)全新的技術(shù)路線(xiàn)，對(duì)新一代碳基電子材料的可控制備具有重要價(jià)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(jì)和國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)。近年來(lái)，以硅基材料為核心的摩爾定律即將走到終點(diǎn)，在眾多替代材料中，碳納米管憑借納米級(jí)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(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局宣布投資15億美元推進(jìn)“電子復(fù)興計(jì)劃”，用于開(kāi)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(jì)算機(jī)和基于1.4萬(wàn)個(gè)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(shí)代的發(fā)展?jié)摿ΑＮ覈?guó)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(shì)，特別是在單根碳納米管晶體管無(wú)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(xiàn)。在碳納米管宏量制備領(lǐng)域，也已率先實(shí)現(xiàn)世界最高、千噸級(jí)產(chǎn)量聚團(tuán)狀和垂直陣列狀碳納米管的批量制備，并在動(dòng)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(wèn)題。
高純度半導(dǎo)體性碳納米管陣列的速率選擇生長(zhǎng)
為此，魏飛教授團(tuán)隊(duì)專(zhuān)注結(jié)構(gòu)完美超長(zhǎng)碳納米管的研發(fā)10余年，發(fā)現(xiàn)超長(zhǎng)碳納米管在分米級(jí)長(zhǎng)度上的結(jié)構(gòu)一致性，率先制備出世界上最長(zhǎng)的550mm碳納米管，并驗(yàn)證了碳納米管的數(shù)量隨長(zhǎng)度呈現(xiàn)指數(shù)衰減的Schulz-Flory分布規(guī)律。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，金屬和半導(dǎo)體管的數(shù)量也各自滿(mǎn)足Schulz-Flory分布，但半導(dǎo)體管的半衰期長(zhǎng)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(biāo)記的生長(zhǎng)速度測(cè)試表明，金屬與半導(dǎo)體管的半衰期長(zhǎng)度差異源于碳納米管自身帶隙鎖定的生長(zhǎng)速度?？s小非均相催化中外擴(kuò)散與毒化過(guò)程的活化能差異，從而提高碳納米管的長(zhǎng)度，是實(shí)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(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)層流方形反應(yīng)器，精準(zhǔn)控制氣流場(chǎng)和溫度場(chǎng)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(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)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(zhǎng)，最長(zhǎng)長(zhǎng)度650mm，單位反應(yīng)位點(diǎn)轉(zhuǎn)化數(shù)達(dá)到1.53×106 s-1。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(kāi)關(guān)比為108，遷移率4000cm2/Vs以上，電流密度14A/m，首次展現(xiàn)了超長(zhǎng)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(zhǎng)速度實(shí)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(xiàn)，為發(fā)展新一代高性能碳基集成電子器件奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
該工作是魏飛教授團(tuán)隊(duì)繼實(shí)現(xiàn)半米長(zhǎng)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(xiàn)團(tuán)后的又一創(chuàng)新性工作，為實(shí)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(dòng)國(guó)家微電子行業(yè)發(fā)展提供了可行的路線(xiàn)。
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(jí)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(jí)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(xiàng)研究工作受到國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金委及北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12519-5
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：周襄楠
