多科研团队合作，实现碳纳米管无序状态的“一键整理”！或推动芯片进一步小型化发展

“机械力让碳管的定向更有效，通过在尼龙滤膜加入乙醇，改变不同方向的摩擦力，使碳管的轨迹更可控，进而达到单壁碳纳米管近乎完美的水平定向。” 谈及这项“酝酿”了十年的研究，作为共同通讯作者兼共同一作、西湖大学特聘研究员师恩政这样说道。

（来源该团队）

近日，多科研团队以“软锁抽丝”组装法，利用刚性介质（表面包裹着乙醇的软尼龙滤膜），实现了单壁碳纳米管束的高度水平定向，还创新性地建立了“贪吃蛇”的柔性模型，对这种定向现象进行了科学解析。

该研究通过机械力实现了高定向准度、高堆积密度和高电流承载力的超洁净碳纳米管束水平阵列的无损组装。并将其首次用作高密度单层二硫化钼（MoS2）晶体管阵列中的源漏纳米电极，展现出了高载流密度、低接触电阻等优异性能。该技术为高密度集成电路、柔性电子学等应用提供了新的思路。

图丨相关论文（来源Nature Nanotechnology）

北京时间 1 月 21 日，相关论文以《用于纳米电极的超顺排碳纳米管管束的软锁定向》（Soft-lockdrawing of super-aligned carbon nanotube bundles for nanometer electricalcontacts）为题发表在 Nature Nanotechnology[1]。

该研究由麻省理工学院（MIT）孔敬（Jing Kong）课题组、托马斯·帕拉西奥斯（Tomás Palacios）课题组、西湖大学师恩政课题组和北京大学曹安源课题组联合完成。

“大力出奇迹”将碳纳米管的无序状态“一键整理”

在以往的研究中，碳纳米管的定向技术或组装技术绝大多数依赖液相法实现。但高分子或表面活性剂的吸附会造成碳纳米管的表面污染，影响后续电学器件的制备和性能。

该团队采用酒精辅助下的机械力定向，避免引入表面活性剂，从而获得了清洁的碳管表面。在该研究中，通过“软锁抽丝”的方法对碳纳米管实现了精准控制，让它们从杂乱无序的状态“一键还原”到整齐排列。

实现了具有高载流密度（∼1.8×108 A/cm2）、高定向度（角度标准偏差为 0.03～0.13°）、高堆积密度（～400/μm）的碳纳米管管束阵列的可控组装。

图丨“软锁抽丝”法示意图及碳纳米管定向效果 SEM 图（来源Nature Nanotechnology）

但这个方法的获得并非一蹴而就。在 2011 年，师恩政想基于碳纳米管导电性强、力学性能强等特点同聚丙烯纤维复合，得到高韧性、高导电的复合纤维。他发现，当纤维拉伸后会产生巨大的塑性形变，使得碳纳米管得到了一定的取向。

有了这一新的发现后，困难也随之而来。碳纳米管的直径在纳米量级（头发直径的万分之一、甚至十万分之一），长度却可以达到毫米甚至厘米级别，且其材质柔韧，因此定向度往往并不理想。

于是，他尝试了一些很有意思的方法，例如把碳纳米管薄膜包覆在黄豆表面，观察在黄豆生根发芽过程中，碳管是否会发生定向。但后续的表征、检测都比较困难。

图丨孔敬教授课题组部分成员（来源郭芸帆，左四为孔敬教授，右三为郭芸帆博士，右二为朱嘉迪同学，左一为王江涛博士）

2014 年，师恩政偶然发现，无序的碳纳米管薄膜在随机状态下，用镊子轻轻“刮一刮”，就会发生碳纳米管定向的现象。但仍有一系列问题有待探究，比如，这种定向组装的精准可控程度可达到多少？背后的机理是什么？定向后的碳纳米管有何用处？

2018 年，师恩政与该论文的共同一作、在 MIT 从事博士后研究的郭芸帆博士及其博士后导师孔敬教授讨论并提出，用多种实验手段评估碳纳米管束阵列的定向度、密度、普适性、理论机制和应用探索，即尝试将金属性超顺排碳管作为纳米尺度的源漏电极。

图丨水平超定向碳纳米管束阵列的各项结构性能与载流能力（来源Nature Nanotechnology）

起初，他们尝试用刚性模型来解释碳管的定向过程，虽然能在一定程度上解释，但仍有局限性。后来，在组内王江涛博士的帮助下，逐步建立了完整的数理模型，并改用柔性模型解释碳管的弯曲和“去纠缠”。

郭芸帆表示，碳管的定向类似于追逐食物的“贪吃蛇”，可以在机械力的牵引下，很好地按照预定轨迹完成。

图丨“软锁抽丝”法机制分析（来源Nature Nanotechnology）

在电学层面，碳管电极载流能力高的优势也可用“火车运行”来类比。也就是说，单位横截面积导体的载流能力是有限的，相当于列车车头的驱动力——驱动力越强，可以加挂的车厢越多，能实现的单列载客量也越多。

因此，使用传统金属的引线，如果想要承载更大的电流，就必然要增加横截面积。但这通常会带来寄生电容等的增加，限制号的传输速度，导致能量损耗，也不利于芯片的进一步小型化。但这些问题，都可以通过使用“驱动力”更为强劲的金属性碳管束来解决。

有望应用于低维半导体与硅基器件的集成，或纯低维材料 3D 堆叠

在宏观的尺度上，金属性碳管因透明度高和优异的导电性能，常被用来做透明导电电极。而在纳米尺度下，金属性碳纳米管能将它的本征性能发挥到最大化。

基于这种洁净、高载流密度的超顺排碳纳米管阵列，该研究创新性地将其用作二硫化钼晶体管阵列中的源漏纳米电极，并实现了较低的接触电阻（最低接触电阻 1.6kΩ·µm，平均值约 2.1kΩ·µm）。

由于碳管和二维材料的表面都是干净的、没有悬挂键，且不需要淀积金属电极，从而有效避免了因为物理淀积过程造成的晶体管源漏区域的材料损伤。

对此，该论文共同一作、MIT 电子工程系博士生朱嘉迪解释道“碳管和源漏区域的二维材料界面形成的良好范德瓦尔斯接触规避了费米钉扎效应，因此电荷注入相对容易，更容易实现更低的接触电阻。”

该团队通过低维材料的堆叠，进一步实现了基于低维材料体系的器件和电路。并展现该技术的两种应用前景，一是低维半导体材料器件与硅基器件的集成，二是由纯低维材料的三维集成。

在这些应用中，金属性碳纳米管可以作为二维材料的源漏电极、电路的互连线，甚至可以作为具有极小面积的片上射频天线。

此外，由于单壁碳纳米管的直径可以达到约 1nm，该技术为实现极端物理尺寸的微电子器件和互连线提供了新的思路。通过进一步优化碳纳米管的分散和定向效果，该技术有望为将传统微电子“自顶向下”的加工策略改变为“自底向上”的纳米级组装提供更多可能性。

图丨水平超定向碳纳米管束阵列应用于高密度单层 MoS2 晶体管的纳米电极（来源Nature Nanotechnology）

该技术初步展现了一种新的碳纳米管定向方法，但仍有优化空间。从材料角度，碳管间距、粗细的均匀性分布和高质量方面需继续优化，以达到更加可控的效果。如何把碳纳米管管束中的碳管分散开，让它再独立成单根的碳管，将是该团队下一步的探索方向。

师恩政表示，“希望未来可以利用该技术获得更高质量、晶圆级的半导体性碳纳米管的定向阵列，这将对整个领域产生推动作用。”

郭芸帆认为，很多研究关注从生长的角度提高半导体型碳管的生长密度。如果能在这种定向技术的基础上，经过后续的“去管束化”（de-bundle）进一步分解，也是值得探索的方向。

“从尺寸微缩和精准操控的层面，未来可能在亚纳米尺度进一步实现一维碳材料的人工操纵。希望该技术可以在后摩尔电子学的研究中贡献它的价值。”她说。

从器件和电路的角度，“需要进一步降低接触电阻，设计基于碳纳米管电极的利于集成的自对准器件结构，进一步提升器件性能并构建适用于电路仿真的器件模型和互连线模型，并实现电路-器件-材料的协同优化。”朱嘉迪说。

“十年窥一管”，用坚韧的科学态度将研究做到极致

该研究历时 11 年，受到了领域内知名学者及研究机构的高度关注，并给予积极评价。在一次次回复期刊审稿意见的过程中，该团队逐步深入地思考相关的科学问题，同时发动身边的合作者，一起探讨更多的可能性。

所以，“十年窥一管”的研究过程既充满挑战，也收获了越来越多的“惊喜”。2011 年，师恩政在北京大学曹安源教授课题组读研究生二年级时，首次发现了这种有趣的现象。在其博士后期间，偶然和校友郭芸帆聊起该课题，得到了她的大力支持，并决定在 MIT 继续开展之后的工作。

图丨师恩政课题组（来源师恩政）

随着研究的深入，机理逐渐清晰，实验结果也愈发全面。但在探索后续应用的研究中，需要更高超的微纳加工技术和更专注的精力投入。

2020 年，朱嘉迪正式加入到该团队，负责器件结构和晶体管阵列的设计、加工和测试。他的主要研究方向为新型微电子器件，博士导师是托马斯·帕拉西奥斯（Tomás Palacios）教授。

图 | 北京大学曹安源教授（左）和 MIT 托马斯·帕拉西奥斯（Tomás Palacios）教授（来源师恩政、朱嘉迪）

郭芸帆表示，因好奇心的驱动会发现“有趣” 的科学现象或者探索“有用”的应用研究。而在这个工作中，我们也学到了要以坚韧的科学态度去证明或优化最初的发现，然后将它做到极致。

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参考

1.Guo, Y., Shi, E., Zhu, J. et al.Soft-lock drawing of super-aligned carbon nanotube bundles for nanometre electrical contacts. Nat. Nanotechnol.(2022).