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碳纳米管手性改造与分子结晶体管研究取得重要进展
 
2021-12-24 | 文章来源:先进炭材料研究部        【 】【】【】

  半导体性碳纳米管具有大长径比、无悬键表面、高载流子迁移率、室温弹道输运等独特结构特征和优异电学性质,因而被认为是十纳米以下高性能、低功耗晶体管沟道材料的有力候选。碳纳米管的导电属性取决于其螺旋(手性)结构,通常制备出的碳纳米管为金属性和半导体性碳纳米管的混合物。虽然近年来碳纳米管的结构控制生长与手性分离研究取得了较大进展,但单根碳纳米管的手性及导电属性调控仍是本领域研究的关键和难点。 

  近期,中科院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部刘畅研究员等人与日本国立材料科学研究所、澳大利亚昆士兰科技大学、俄罗斯国立科技大学等单位的学者合作开展了碳纳米管手性改造与分子结晶体管研究。他们利用原位透射电子显微镜对单根碳纳米管进行原位加工、表征与测量,通过精确控制透射电镜样品杆上的压电纳米探针对碳纳米管施加焦耳热和拉伸应力,诱导局部塑性变形与手性演变。利用球差校正电镜图像和纳米束电子衍射图谱对变形前后碳纳米管的手性进行分析,在近三十次连续手性转变过程中发现碳纳米管的手性角具有向高角度转变的明显趋势。结合原位测量以碳纳米管为导电沟道的悬空晶体管的电学输运性质,实现了金属性碳纳米管向半导体性碳纳米管的可控转变。利用此方法制备出沟道长度仅为2.8纳米的金属-半导体-金属构型碳纳米管分子结晶体管(图1),并观察到其室温量子相干输运性质和法布里-珀罗(fabry-pérot)干涉效应。本研究为碳纳米管的手性及导电属性调控提供了新途径,显示了碳纳米管分子节晶体管的优异性能。相关结果于1224日在《科学》(science)周刊在线发表,论文标题是“semiconductor nanochannels in metallic carbon nanotubes by thermomechanical chirality alteration”。 

  论文第一作者单位为日本国立材料科学研究所,我所刘畅研究员为共同通讯作者。该研究工作获得了科技部、国家自然科学基金委及沈阳材料科学国家研究中心等项目的支持。 

  

图1 (a-d)单根碳纳米管的原位加工过程。(e-f)碳纳米管电学性质从金属性到半导体性的转变。(g)沟道长度仅为2.8纳米的碳纳米管分子结晶体管,及(h-i)该晶体管的转移特性和输出特性曲线。

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