新研究可实现工业规模碳纳米管的高度排列 | Science Advances

半导体碳纳米管在场效应晶体管 (FET) 中如果能够以密集阵列排列，则有望比 Si 具有更快的性能和更低的功耗。

随着场效应晶体管 (FET) 的不断缩小和传统半导体器件的节点缩放变得越来越困难，必须研究其他下一代材料。碳纳米管是一种有潜力的候选材料，当碳纳米管用作晶体管时，它的能源效率是硅的五倍，速度是硅的五倍。问题是对直径只有纳米级的管子的使用非常困难，需要其表现出一致的电气特性，这就要求碳纳米管在相同的方向上排列整齐，并且紧密而又不是太紧密的排列在一起。

研究人员一直在努力寻找精确沉积碳纳米管的技术，但威斯康星大学麦迪逊分校（ University of Wisconsin–Madison）的工程师们发现了一种将碳纳米管排列成二维液晶的新方法，相关研究人员称利用这项新技术可以实现在工业规模中实现碳纳米管的高度排列，填补了碳纳米管界近30年来存在的空白，该研究成果发表在 Science Advances 上。

这项技术来自于一个偶然的发现。在试图理解之前的一些研究时，该团队将悬浮在溶剂中的碳纳米管沉积在水层上。但研究人员注意到，碳纳米管开始自发在液体之间的界面处对齐。

在制造技术中，该团队使用小组以前使用的技术对商业生产的碳纳米管进行分类和纯化。这种净化过程在溶剂或碳纳米管墨水中产生碳纳米管，然后它们以恒定的速度和厚度在水层上流动。在墨水和水之间的界面处，碳纳米管开始集中和自组织，形成液晶。然后将该液晶转移到通过墨水和水界面移动的基板上。结果是得到一块覆盖着数万亿个高度排列的碳纳米管晶圆。

研究人员证明了在液/液界面收集的单壁碳纳米管可以形成二维向列液晶组件，为访问高性能电子产品所需的纳米管阵列属性提供了途径。二维碳纳米管组件由高度排列的纳米管的各个域组成，当液体静止时，这些域缺乏整体排列。通过使一种液体切向地流过另一种液体的表面，这些域与流动方向一致，形成一个全局有序的结构化界面。这些组件在连续过程中被转移到目标基板上，从而能够实现对齐和密集排列的纳米管的晶圆级沉积。

通过拉曼光谱该团队能够确认碳纳米管密度接近电子产品所需的密度，并且使用扫描电子显微镜，他们还确定了管子的局部排列在 6° 以内。这种近乎理想的纳米管排列产生了优异的电性能，并在整个晶片上得到了证实。

这一过程是碳纳米管研究的一大进步。然而，在碳纳米管计算机处理器最终应用于智能手机和笔记本电脑之前，它确实尚需一些调整。工业标准是12英寸的晶圆，因此该工艺需要扩大规模，同时保持纳米管排列的均匀性，该工艺获得了威斯康星校友研究基金会的专利。该团队希望进一步改善排列方式，同时也致力于增加纳米管的密度，同时确保它们不会相互交叉，这是另一个挑战。

如果能够解决这些挑战，那么就能实现用碳纳米管制造计算机芯片，其性能将明显优于硅。另外，将碳纳米管悬浮在溶液中，还可以把它们沉积成多层，就像3D集成电路一样。这将大大增加晶体管的数量。

◾文献信息

Aligned 2D carbon nanotube liquid crystals for wafer-scale electronics

KATHERINE R. JINKINS , SEAN M. FORADORI XVIVEK SARASWAT, ROBERT M. JACOBBERGER , JONATHAN H. DWYER, PADMA GOPALAN , XARGANTHAËL BERSON AND MICHAEL S. ARNOLD

SCIENCE ADVANCES

DOI: 10.1126/sciadv.abh0640

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