在集成電路中應(yīng)用單壁碳納米管（SWNTs）時(shí)，關(guān)鍵在于獲得高密度、排列整齊且純?yōu)榘?導(dǎo)體的SWNT陣列。本研究報(bào)告了直接在六方氮化硼（hBN）襯底上生長(zhǎng)出緊密排列的SWNT陣列，這些陣列展現(xiàn)出高度的排列整齊性和陣列內(nèi)SWNT的均勻手性。通過(guò)化學(xué)氣相沉積（CVD）方法控制生長(zhǎng)，并結(jié)合分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了SWNT在原子級(jí)平坦的hBN襯底上因管間范德華吸引力和超低滑動(dòng)摩擦力而實(shí)現(xiàn)自組裝生長(zhǎng)的機(jī)制?；诎雽?dǎo)體的SWNT場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FETs）相較于傳統(tǒng)硅基FETs，具有潛在優(yōu)勢(shì)，如更快的操作速度、更好的能效和更高的集成密度。然而，制備高質(zhì)量SWNT陣列仍面臨諸多挑戰(zhàn)，包括在CVD生長(zhǎng)過(guò)程中提高 手性選擇性、有效去除組裝后的表面活性劑和聚合物，以及減少排列中的捆綁和無(wú)序現(xiàn)象。這些原材料中的缺陷極大地限制了基于SWNT的集成電路的性能。
圖1. 緊密堆積的單壁碳納米管（SWNT）二維陣列結(jié)構(gòu)。（A和B）單壁碳納米管陣列的原子力顯微鏡（AFM）圖像。（C和D）閉合環(huán)狀單壁碳納米管陣列的原子力顯微鏡圖像，包括圓盤(pán)形狀（C）和跑道形狀（D）。（E）緊密堆積的單壁碳納米管陣列示意圖。（F）六方氮化硼（hBN）襯底上單壁碳納米管陣列的掃描透射電子顯微鏡（STEM）橫截面圖像，可以清晰地看到緊密堆積且間距均勻的單壁碳納米管。管間距離約3.3埃，這是管間范德華力相互作用的結(jié)果。
解析
整體內(nèi)容概述
這段文字主要圍繞圖1中展示的單壁碳納米管二維陣列結(jié)構(gòu)展開(kāi)描述，涵蓋了不同形狀單壁碳納米管陣列的原子力顯微鏡圖像、緊密堆積陣列的示意圖以及在六方氮化硼襯底上單壁碳納米管陣列的掃描透射電子顯微鏡橫截面圖像，并說(shuō)明了管間距離與范德華力的關(guān)系。
各部分具體解析
1、“Fig. 1. Closely packed SWNT 2D array structures.”
解析：點(diǎn)明圖1的主題，即緊密堆積的單壁碳納米管二維陣列結(jié)構(gòu)。這是對(duì)整張圖內(nèi)容的高度概括，讓讀者提前了解圖的核心內(nèi)容。
2、“(A and B) AFM images of SWNT arrays.”
解析：指出圖1中的（A）和（B）部分是單壁碳納米管陣列的原子力顯微鏡圖像。原子力顯微鏡是一種能夠提供高分辨率表面形貌信息的儀器，通過(guò)這些圖像可以直觀地觀察到單壁碳納米管陣列的表面結(jié)構(gòu)特征。
3、“(C and D) AFM images of closed - loop–shaped SWNT arrays, including disk shape (C) and running track shape (D).”
解析：說(shuō)明圖1中的（C）和（D）部分是閉合環(huán)狀單壁碳納米管陣列的原子力顯微鏡圖像，并且具體舉例了（C）為圓盤(pán)形狀，（D）為跑道形狀。這展示了單壁碳納米管陣列除了常見(jiàn)的排列形式外，還存在特殊形狀的結(jié)構(gòu)，豐富了對(duì)其形態(tài)的認(rèn)識(shí)。
4、“(E) A schematic of the close - packed SWNT array.”
解析：表明圖1中的（E）部分是緊密堆積的單壁碳納米管陣列的示意圖。示意圖能夠以簡(jiǎn)潔明了的方式呈現(xiàn)緊密堆積陣列的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和排列方式，幫助讀者理解其空間結(jié)構(gòu)。
5、“(F) STEM cross - sectional image of a SWNT array on hBN substrate, where close - packed SWNTs with uniform spacing can be clearly seen. The intertube distance of ~3.3 Å is a result of intertube vdW interaction.”
解析：解釋圖1中的（F）部分是在六方氮化硼襯底上單壁碳納米管陣列的掃描透射電子顯微鏡橫截面圖像。掃描透射電子顯微鏡具有高分辨率，能夠觀察到材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。從圖像中可以清晰看到緊密堆積且間距均勻的單壁碳納米管。同時(shí)指出管間距離約3.3埃，并且說(shuō)明這個(gè)距離是由管間范德華力相互作用導(dǎo)致的。范德華力是一種分子間的弱相互作用力，在單壁碳納米管陣列中，這種力影響著管與管之間的排列和間距，對(duì)陣列的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有重要影響。
圖2. 同手性單壁碳納米管（SWNT）范德華（vdW）晶體的表征。（A）典型SWNT陣列的原子力顯微鏡（AFM）圖像。插圖展示了從白色虛線(xiàn)提取的高度剖面（約1.6納米）。（B）圖（A）中SWNT陣列的放大高分辨率AFM形貌圖像，其中可以清晰地識(shí)別出緊密排列的單個(gè)SWNT。這些SWNT排列整齊且彼此平行，呈現(xiàn)出晶體結(jié)構(gòu)。（C）圖（B）中SWNT陣列的實(shí)驗(yàn)（黑線(xiàn)）和模擬（紅線(xiàn)）高度剖面，顯示出具有約1.53納米均勻周期的振蕩。（D）對(duì)應(yīng)樣品在不同SWNT與入射光偏振方向夾角下的偏振拉曼光譜。插圖展示了拉曼G峰（黑色標(biāo)記）和2D峰（藍(lán)色標(biāo)記）在極坐標(biāo)中的角度依賴(lài)強(qiáng)度。當(dāng)偏振方向垂直于SWNT時(shí)，拉曼強(qiáng)度幾乎為零，反映了SWNT的近乎完美排列。a.u.，任意單位。（E）同一樣品的拉曼徑向呼吸模式（RBM），在207厘米-1處有一個(gè)單一的RBM峰，表明所有SWNT具有相同的直徑。（F）同一樣品的瑞利光譜，表明SWNT的手性均勻?yàn)椋?0, 7）。
解析
圖2概述：
圖2詳細(xì)展示了同手性SWNT范德華晶體的多種表征結(jié)果，這些結(jié)果共同證明了SWNT陣列的高度有序性、同手性以及優(yōu)異的電子特性。
具體解析：
1、AFM圖像與高度剖面（A和插圖）：
AFM圖像直觀展示了SWNT陣列的形貌，插圖中的高度剖面進(jìn)一步量化了SWNT陣列的厚度，約為1.6納米，這大致相當(dāng)于SWNT的直徑。
2、高分辨率AFM形貌圖像（B）：
放大后的高分辨率AFM圖像清晰地顯示了緊密排列的單個(gè)SWNT，這些SWNT排列整齊且平行，形成了晶體結(jié)構(gòu)。這一觀察結(jié)果直接證明了SWNT陣列的高度有序性。
3、高度剖面振蕩（C）：
實(shí)驗(yàn)和模擬的高度剖面均顯示出約1.53納米的均勻周期振蕩，這表明SWNT陣列中的SWNT具有相同的直徑和潛在的手性，因?yàn)橹睆胶褪中詴?huì)影響SWNT之間的間距和排列方式。
4、偏振拉曼光譜（D）：
偏振拉曼光譜通過(guò)測(cè)量不同偏振角度下的拉曼G峰和2D峰強(qiáng)度，揭示了SWNT的排列方向。當(dāng)偏振方向垂直于SWNT時(shí)，拉曼強(qiáng)度幾乎為零，這表明SWNT具有近乎完美的排列，因?yàn)橹挥性谕昝琅帕械那闆r下，偏振光才無(wú)法激發(fā)SWNT的拉曼活性模式。
5、拉曼RBM峰（E）：
拉曼RBM峰是SWNT直徑的敏感指標(biāo)。同一樣品中只有一個(gè)RBM峰（207厘米-1），表明所有SWNT具有相同的直徑。這一結(jié)果進(jìn)一步支持了SWNT陣列的同手性。
6、瑞利光譜（F）：
瑞利光譜通過(guò)測(cè)量SWNT的光散射特性，揭示了SWNT的手性。同一樣品中瑞利光譜顯示SWNT的手性均勻?yàn)椋?0, 7），這直接證明了SWNT陣列的同手性。手性是SWNT的重要特性，它決定了SWNT的電子結(jié)構(gòu)和傳輸特性。
圖3. SWNT范德華晶體的生長(zhǎng)機(jī)制
(A) 代表性SWNT陣列終端結(jié)構(gòu)的原子力顯微鏡(AFM)形貌圖像(頂部)及示意圖(底部)。
(B) 開(kāi)放線(xiàn)性SWNT陣列的示意圖生長(zhǎng)過(guò)程。
(C) SWNT段間的范德華(vdW)勢(shì)能(紅線(xiàn))、滑動(dòng)勢(shì)能(藍(lán)線(xiàn))以及SWNT段間滑動(dòng)勢(shì)能與vdW勢(shì)能之和(黑線(xiàn))。(插圖) 相鄰SWNT在低摩擦六方氮化硼(hBN)基底引發(fā)的范德華吸引力作用下相互靠近的示意圖。
(D) SWNT在hBN基底上的滑動(dòng)勢(shì)能。圖(C)中的滑動(dòng)勢(shì)能線(xiàn)是從水平軸提取的。
(E) (20,0)型SWNT與hBN基底間隨扭轉(zhuǎn)角度變化的堆積能。此處，錯(cuò)位構(gòu)型的堆積能設(shè)為零。插圖AFM形貌圖像顯示了堆積方向的選擇性。
(F) SWNT彎曲能隨彎曲曲率半徑R的變化關(guān)系。不同直徑SWNT的彎曲能均與1/R²成正比。
(G) 固定周長(zhǎng)下，閉合環(huán)狀SWNT陣列的總能量隨弧部分曲率半徑的變化關(guān)系。紅線(xiàn)向下偏移0.6毫電子伏特/原子，藍(lán)線(xiàn)向上偏移0.4毫電子伏特/原子。陰影區(qū)域代表最佳曲率半徑。插圖展示了具有最小能量結(jié)構(gòu)的示意圖。
(H)至(J) 三種閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)的AFM形貌圖像，對(duì)應(yīng)于(G)中描述的結(jié)構(gòu)。
解析
圖3概述
圖3詳細(xì)闡述了SWNT（單壁碳納米管）范德華晶體的生長(zhǎng)機(jī)制，通過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)和模擬數(shù)據(jù)，揭示了SWNT在hBN基底上自組裝成高度有序陣列的過(guò)程。
具體解析
1、終端結(jié)構(gòu)與生長(zhǎng)過(guò)程：
(A)部分展示了SWNT陣列終端的AFM圖像和示意圖，揭示了SWNT如何以特定方式結(jié)束其生長(zhǎng)。
(B)部分通過(guò)示意圖描述了開(kāi)放線(xiàn)性SWNT陣列的生長(zhǎng)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)了SWNT在hBN基底上的滑動(dòng)和自組裝行為。
2、勢(shì)能與相互作用：
(C)部分展示了SWNT段間的vdW勢(shì)能和滑動(dòng)勢(shì)能，以及它們的總和。這表明SWNT間的吸引力主要來(lái)源于vdW力，而低摩擦的hBN基底促進(jìn)了SWNT的滑動(dòng)和自組裝。
(D)部分進(jìn)一步細(xì)化了SWNT在hBN基底上的滑動(dòng)勢(shì)能，強(qiáng)調(diào)了基底對(duì)SWNT生長(zhǎng)的重要影響。
3、堆積能與方向選擇性：
(E)部分探討了SWNT與hBN基底間的堆積能隨扭轉(zhuǎn)角度的變化，揭示了SWNT在hBN基底上生長(zhǎng)時(shí)的方向選擇性。這種選擇性源于SWNT與hBN晶格間的特定匹配關(guān)系。
4、彎曲能與結(jié)構(gòu)優(yōu)化：
(F)部分分析了SWNT彎曲能隨曲率半徑的變化，指出不同直徑SWNT的彎曲能均遵循1/R²的規(guī)律。這有助于理解SWNT在形成閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)時(shí)的能量變化。
(G)部分通過(guò)模擬固定周長(zhǎng)下閉合環(huán)狀SWNT陣列的總能量隨弧部分曲率半徑的變化，確定了最佳曲率半徑范圍。這為理解SWNT陣列的自?xún)?yōu)化過(guò)程提供了重要依據(jù)。
5、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：
(H)至(J)部分通過(guò)AFM圖像展示了三種閉合環(huán)狀結(jié)構(gòu)的實(shí)際形貌，與(G)部分的模擬結(jié)果相吻合。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了模擬的準(zhǔn)確性，并展示了SWNT陣列生長(zhǎng)的多樣性和可控性。
圖4. 同手性單壁碳納米管（SWNT）陣列場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的電學(xué)性能
(A) SWNT陣列FET的原子力顯微鏡（AFM）形貌圖及結(jié)構(gòu)示意圖。
(B) 和 (C) 分別為1毫米溝道長(zhǎng)度的半導(dǎo)體型SWNT陣列器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn) (B) 和輸出特性曲線(xiàn) (C)。
(D) 在大源/漏極偏壓下，400納米溝道長(zhǎng)度的SWNT陣列器件的飽和電流。
(E) 至 (G) 將我們SWNT陣列FET的結(jié)果與文獻(xiàn)中的FET進(jìn)行了對(duì)比（文獻(xiàn)7-9, 11, 13, 14, 22-25, 28-36, 45-50）。與現(xiàn)有研究結(jié)果相比，我們的同手性SWNT FET（以紅色五角星標(biāo)記）同時(shí)展現(xiàn)出了優(yōu)異的開(kāi)/關(guān)比、載流子遷移率和電流承載能力 [(E) 至 (G)]。這些優(yōu)點(diǎn)源于具有超高密度、高度排列整齊和均勻手性的優(yōu)秀SWNT陣列結(jié)構(gòu)。理想SWNT陣列FET的陣列密度、開(kāi)/關(guān)比和遷移率的目標(biāo)值（在(E)和(F)中以藍(lán)色虛線(xiàn)表示）最初由He等人提出，(E)和(F)中的藍(lán)色區(qū)域標(biāo)記了性能優(yōu)于這些目標(biāo)值的區(qū)域。
解析
這段文字主要描述了圖4中展示的同手性單壁碳納米管（SWNT）陣列場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）的電學(xué)性能，并進(jìn)行了相關(guān)的對(duì)比分析。具體內(nèi)容如下：
1、圖4(A): 展示了SWNT陣列FET的原子力顯微鏡形貌圖和結(jié)構(gòu)示意圖，這有助于直觀理解器件的物理結(jié)構(gòu)和形貌特征。
2、圖4(B)和(C): 分別展示了1毫米溝道長(zhǎng)度的半導(dǎo)體型SWNT陣列器件的轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)和輸出特性曲線(xiàn)。這些曲線(xiàn)是評(píng)估FET性能的重要指標(biāo)，能夠反映器件在不同條件下的電學(xué)行為。
3、圖4(D): 展示了大源/漏極偏壓下，400納米溝道長(zhǎng)度的SWNT陣列器件的飽和電流。飽和電流是評(píng)估器件電流承載能力的重要參數(shù)，對(duì)于理解器件在高電壓下的性能至關(guān)重要。
4、圖4(E)至(G): 將研究中的SWNT陣列FET的性能與文獻(xiàn)中的其他FET進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，研究中的同手性SWNT FET在開(kāi)/關(guān)比、載流子遷移率和電流承載能力方面均表現(xiàn)出色。這些優(yōu)異性能源于SWNT陣列的高密度、高度排列整齊和均勻手性。此外，圖中還展示了理想SWNT陣列FET的性能目標(biāo)值（由He等人提出），并標(biāo)記了性能優(yōu)于這些目標(biāo)值的區(qū)域，進(jìn)一步突出了研究中的SWNT FET的優(yōu)越性。
本研究報(bào)告了發(fā)現(xiàn)緊密排列、具有均勻手性、高度排列整齊且電學(xué)性能出色的SWNT陣列，這標(biāo)志著向SWNT在納米電子器件和電路中的實(shí)際應(yīng)用邁出了一步。本研究提出的生長(zhǎng)機(jī)制為制造復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)，特別是為開(kāi)發(fā)新型范德華材料提供了一種方法。通過(guò)催化CVD方法在hBN襯底上直接生長(zhǎng)出二維緊密排列的SWNT陣列，這些陣列中的 SWNT具有均勻的手性，并且彼此精確平行排列，間距恒定為0.33nm，形成了晶體結(jié)構(gòu)?；谶@些生長(zhǎng)的SWNT陣列構(gòu)建的場(chǎng)效應(yīng)晶體管在室溫下表現(xiàn)出高性能，載流子遷移率高達(dá)2000平方厘米每伏特每秒，開(kāi)關(guān)比約為107，最大電流密度約為6毫安每微米。這些優(yōu)異的電學(xué)性能歸因于SWNT陣列極小的管間距離、精確的排列以及非常高的半導(dǎo)純度。盡管在每個(gè)SW NT陣列內(nèi)保持了均勻的手性，但不同陣列之間仍存在變化。實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)的手性均勻性仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
本文的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
1、直接生長(zhǎng)高密度、高排列整齊且純?yōu)榘雽?dǎo)體的單壁碳納米管（SWNT）陣列：
高密度與高排列整齊：文章報(bào)道了在六方氮化硼（hBN）基底上直接生長(zhǎng)出緊密排列的二維SWNT陣列，這些陣列中的SWNT具有高度一致的排列方向和均勻的間距（0.33nm），形成了晶體結(jié)構(gòu)。
純?yōu)榘雽?dǎo)體：通過(guò)控制生長(zhǎng)條件，實(shí)現(xiàn)了SWNT陣列的純半導(dǎo)體特性，這對(duì)于提升基于SWNT的集成電路性能至關(guān)重要。
2、揭示了SWNT陣列的自組裝生長(zhǎng)機(jī)制：
分子動(dòng)力學(xué)模擬：通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬，揭示了SWNT陣列通過(guò)自組裝方式生長(zhǎng)，這得益于SWNT之間的范德華吸引力和SWNT在hBN基底上的超低滑動(dòng)摩擦力。
生長(zhǎng)過(guò)程解釋?zhuān)禾岢隽薙WNT陣列通過(guò)單個(gè)長(zhǎng)SWNT多次折疊形成的生長(zhǎng)過(guò)程，而非不同SWNT的簡(jiǎn)單組裝。
3、展示了基于SWNT陣列的高性能場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）：
高載流子遷移率：基于生長(zhǎng)的SWNT陣列構(gòu)建的FET在室溫下表現(xiàn)出高達(dá)2000 cm²V?¹s?¹的載流子遷移率。
高開(kāi)關(guān)比和電流密度：實(shí)現(xiàn)了接近10?的開(kāi)關(guān)比和高達(dá)6 mA/μm的最大電流密度，這些性能指標(biāo)優(yōu)于或接近傳統(tǒng)硅基FET和之前報(bào)道的SWNT陣列或薄膜FET。
4、SWNT陣列的均勻手性和精確控制：
均勻手性：通過(guò)表征技術(shù)確認(rèn)了SWNT陣列內(nèi)的SWNT具有均勻的手性（如(10,7)），這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高性能電子器件至關(guān)重要。
精確控制：實(shí)現(xiàn)了對(duì)SWNT陣列結(jié)構(gòu)（包括排列方向、間距和手性）的精確控制，為定制化納米電子器件的制造提供了可能。
5、提出了新的二維范德華材料生長(zhǎng)策略：
二維SWNT范德華晶體：由于SWNT之間的范德華相互作用和均勻的間距，將生長(zhǎng)的SWNT陣列命名為SWNT范德華晶體，這為開(kāi)發(fā)新型二維材料提供了新思路。
生長(zhǎng)機(jī)制的應(yīng)用：所揭示的生長(zhǎng)機(jī)制不僅適用于SWNT，還可能推廣到其他一維納米材料的生長(zhǎng)中，促進(jìn)新型納米結(jié)構(gòu)和器件的開(kāi)發(fā)。
6、實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的研究方法：
多尺度模擬：結(jié)合了粗?；腿臃肿觿?dòng)力學(xué)模擬，深入理解了SWNT在hBN基底上的生長(zhǎng)和排列機(jī)制。
實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：通過(guò)原子力顯微鏡（AFM）、掃描透射電子顯微鏡（STEM）、拉曼光譜和瑞利散射光譜等多種實(shí)驗(yàn)手段驗(yàn)證了模擬結(jié)果，確保了研究的準(zhǔn)確性和可靠性。
這些創(chuàng)新點(diǎn)共同推動(dòng)了SWNT在納米電子器件領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，為開(kāi)發(fā)高性能、低功耗的納米電子器件提供了新的思路和材料基礎(chǔ)。
摘自《石墨烯研究》公眾號(hào)
.png)
.png)
.png)
.png)
