近日，上海交通大學物理與天文學院史志文教授、梁齊教授與合作者在《Science》上發表題為“Homochiral carbon nanotube van der Waals crystals”的研究論文，論文以First Release的形式在Science網站提前在線發表。該研究開發了一種制備碳納米管陣列的全新方法，成功實現了單一手性平行密排碳納米管陣列的直接生長，首次得到了碳納米管范德華晶體結構，并演示了所制備的碳納米管陣列可用于制造高性能場效應晶體管器件。

圖1 Science論文首頁截圖

碳納米管是碳材料家族（包括金剛石、石墨烯、足球烯等）中的一員明星，于1991年首次被實驗發現。碳納米管可以看成是由石墨烯卷曲而成的一維管子，直徑僅有1納米，是目前已知最細的材料。這種材料的電子遷移率遠超傳統硅基材料，為制造更快、更小、更節能的晶體管提供了可能，被視為未來電子器件的理想材料之一，有望推動下一代計算機芯片的革新。

在實際芯片應用中，需要大量結構完全相同的半導體性碳納米管以高度有序的方式排列在一起，以提高器件的一致性和功能性。然而，直接生長的碳納米管手性結構隨機，性質極難控制，統計上有1/3的碳管表現出金屬性，2/3的碳管表現為半導體性，而且通常存在排列方向混亂的問題，嚴重制約了碳納米管在集成電路中的應用。

圖2 碳納米管范德華晶體結構示意圖

諾貝爾獎得主Richard E. Smalley教授曾在2001年提出碳納米管研究領域的一個重要難題和研究目標：如何制備出由單一手性碳納米管整齊平行緊密排列而成的晶體結構？國內外許多科學家都在嘗試攻克這一難題。然而，二十多年過去了，Smalley教授提出的目標一直未能實現。

針對以上挑戰，上海交通大學史志文團隊聯合武漢大學歐陽穩根團隊、浙江大學金傳洪團隊和中科院物理所張廣宇團隊，獨辟蹊徑開發出全新的滑移自組裝生長技術，在原子級平整的六方氮化硼基底上實現了單一手性密排的碳納米管陣列的直接生長，形成碳納米管范德華晶體這一完美結構。

圖3 單一手性且平行密排的碳納米管陣列

碳納米管陣列晶體是通過一種納米顆粒催化的化學氣相沉積（CVD）生長技術實現的。實驗觀測發現，生長得到的碳納米管陣列均由同一手性的碳納米管組成，碳納米管之間相互平行、緊密排列，間距為固定的0.33 nm。理論分析揭示，這種近乎完美的陣列結構的形成源自于碳納米管與六方氮化硼基底之間的超潤滑摩擦特性及碳納米管間的范德華相互作用：生長出的碳納米管可以在基底上自由滑動，找到能量更低的構型，反復折疊排列在一起，并最終自組裝形成范德華晶體結構。

圖4 碳納米管陣列晶體管器件的優異性能

得益于碳納米管陣列單一手性和平行密排的結構特征，基于碳納米管陣列制造的場效應晶體管展現出了優異的電學性能，載流子遷移率接近2,000 cm2V–1s–1，電流承載能力大于6.5mA/μm，開關比可達107，這些器件指標不僅超越以往報道的結果，也優于硅基電路發展路線圖中對未來數年的預期指標。特別地，開態電流承載能力大幅超越了相同加工精度下通過其它方法制備的碳納米管陣列晶體管。這些出色的器件性能展現出所制備的單一手性密排碳納米管陣列在未來高性能碳基納米電子芯片應用中的巨大潛力。

圖5 交大團隊成員

（從左向右：梁齊教授，張智淳，馬賽群，王立果，陳佳俊，張誠嘉，沈沛約，陳一，史志文教授）

論文共同第一作者為上海交通大學物理與天文學院張智淳、陳一、沈沛約、陳佳俊博士、武漢大學王森和浙江大學汪博博士。共同通訊作者為史志文教授、梁齊教授、陳佳俊博士、中科院物理所張廣宇研究員、浙江大學金傳洪教授和武漢大學歐陽穩根教授。論文合作者還包括上海交通大學賈金鋒教授、錢冬教授、王國華博士、馬賽群、周先亮、婁碩、吳正瀚、謝宇烽、張誠嘉、王立果、李昊楠、徐琨淇博士、浙江大學王孝群教授、中科院物理所楊威研究員、日本國立材料研究所Kenji Watanabe教授和Takashi Taniguchi教授。本工作得到科技部、自然科學基金委的資助，在此深表感謝。