具有一維結(jié)構(gòu)特性的碳納米管(CNT)自從上世紀(jì)90年代初被首次制備和報(bào)道出來就一直是納米材料界的明星材料，經(jīng)過近30年的發(fā)展和研究，目前在很多領(lǐng)域顯示出了巨大的應(yīng)用潛力。同時(shí)，隨著高尖端科技的進(jìn)步和發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中對(duì)高密度、高性能和高能量效率的場效應(yīng)晶體管(FETs)的需求也越來越緊迫。然而目前使用的基于金屬-氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管(MOS)FETs很難順應(yīng)未來集成電路(IC)高集成化和微型化的發(fā)展趨勢，因此亟需開發(fā)出新的FETs。2020年5月22日，最新的一期Science雜志連續(xù)刊登了三篇關(guān)于CNT在FETs領(lǐng)域的研究進(jìn)展！在這里，小編就帶領(lǐng)大家一睹為快，看看有哪些突破性的進(jìn)展吧！
1.高規(guī)整度、高密度碳納米管半導(dǎo)體陣列
CNT具有一維結(jié)構(gòu)以及納米級(jí)尺寸可調(diào)的特性，因此在很早之前就被研究用于替代硅基FETs了。但是由于CNT的純度，制備得到的FETs中CNT的密度和排列規(guī)整度這些問題始終得不到解決，因此限制了CNT基FETs的大規(guī)模制備和應(yīng)用。為了解決這一問題，北京大學(xué)彭練矛院士研究團(tuán)隊(duì)聯(lián)合張志勇教授研究團(tuán)隊(duì)首先開發(fā)了多重分散和分選方法制備得到了用于制備FETs的高純度CNT；然后采用尺寸限制自動(dòng)排列的方法在10?cm硅晶圓基底上制備得到了排列良好且密度可調(diào)(每微米排列數(shù)量介于100~200之間)的CNT陣列。在閘極長度相同條件下，基于此CNT整列制備的FETs顯示出了比商用硅基FETs更優(yōu)異的性能——在1V的電壓條件下，通態(tài)電流達(dá)到1.3?mA·um-1，跨導(dǎo)達(dá)到了創(chuàng)記錄的0.9?mS·um-1。同時(shí)，在使用離子液體作為柵極時(shí)可以保持較低的室溫閾下擺動(dòng)(＜90mV/十年)。除此之外，批量制作的頂部柵五級(jí)環(huán)形振蕩器顯示出最高的最大振蕩頻率可以大于8 GHz。因此，這種基于CNT陣列的場效應(yīng)晶體管在未來的微電子領(lǐng)域顯示出了極大的應(yīng)用潛力。這一研究成果以題為“Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics”發(fā)表在《Science》上。
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/368/6493/850
2.在三維DNA納米溝槽中制備精確的碳納米管陣列
正如前面所言，制備CNT基場效應(yīng)晶體管的難度在于CNT陣列的高密度和高規(guī)整度化。為了解決這一問題，哈佛大學(xué)和哈佛醫(yī)學(xué)院的的尹鵬（本科畢業(yè)于北京大學(xué)）、Wei?Sun教授研究團(tuán)隊(duì)合作開發(fā)了一種超分子組裝的方法來制備高密度和高規(guī)整度CNT陣列。具體地，研究人員首先利用單鏈DNA的自組裝作用構(gòu)建了具有規(guī)整陣列結(jié)構(gòu)的溝槽，隨后再對(duì)CNT進(jìn)行表面進(jìn)行“特異性修飾”，使這些修飾過的CNT能夠精準(zhǔn)地躺進(jìn)之前設(shè)計(jì)好的溝槽中，就可以得到間距小于10.4?nm，偏差角小于2°，組裝效率大于95?%的CNT陣列。這項(xiàng)研究以題為“Precise pitch-scaling of carbon nanotube arrays within three-dimensional DNA nanotrenches”發(fā)表在《Science》上。
原文鏈接：
https://science.sciencemag.org/content/368/6493/874
3.DNA定向納米技術(shù)制備高性能CNT場效應(yīng)晶體管
與目前使用的光刻法相比，利用生物加工法制備的半導(dǎo)體納米陣列顯示出了更小的通道間距。然而，生物晶格中的金屬離子和亞微米尺寸特性導(dǎo)致了較差的傳輸性能差和大面積陣列均勻度的降低。為了解決這一問題，北京大學(xué)孫偉教授和廈門大學(xué)朱志教授研究團(tuán)隊(duì)合作以DNA模板法制備的平行CNT陣列作為模型系統(tǒng)，開發(fā)了一種先固定后沖洗(rinsing-after-fixing)的方法將基于CNT陣列的效應(yīng)晶體管關(guān)鍵傳輸性能指標(biāo)提高了10倍以上(與以前的生物模板場效應(yīng)晶體管相比)。在研究中，作者使用空間受限的方法，在PMMA腔內(nèi)組裝了達(dá)到厘米級(jí)的CNT陣列。在高性能電子和生物分子自組裝的界面上，這種方法可以使可伸縮的生物模板電子產(chǎn)品的生產(chǎn)成為可能。該研究以題為“DNA-directed nanofabrication of high-performance carbon nanotube field-effect transistors”發(fā)表在《Science》上。
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