在集成电路中应用单壁碳纳米管（SWNTs）时，关键在于获得高密度、排列整齐且纯为半 导体的SWNT阵列。本研究报告了直接在六方氮化硼（hBN）衬底上生长出紧密排列的SWNT阵列，这些阵列展现出高度的排列整齐性和阵列内SWNT的均匀手性。通过化学气相沉积（CVD）方法控制生长，并结合分子动力学模拟，揭示了SWNT在原子级平坦的hBN衬底上因管间范德华吸引力和超低滑动摩擦力而实现自组装生长的机制。基于半导体的SWNT场效应晶体管（FETs）相较于传统硅基FETs，具有潜在优势，如更快的操作速度、更好的能效和更高的集成密度。然而，制备高质量SWNT阵列仍面临诸多挑战，包括在CVD生长过程中提高 手性选择性、有效去除组装后的表面活性剂和聚合物，以及减少排列中的捆绑和无序现象。这些原材料中的缺陷极大地限制了基于SWNT的集成电路的性能。

 

图1. 紧密堆积的单壁碳纳米管（SWNT）二维阵列结构。（A和B）单壁碳纳米管阵列的原子力显微镜（AFM）图像。（C和D）闭合环状单壁碳纳米管阵列的原子力显微镜图像，包括圆盘形状（C）和跑道形状（D）。（E）紧密堆积的单壁碳纳米管阵列示意图。（F）六方氮化硼（hBN）衬底上单壁碳纳米管阵列的扫描透射电子显微镜（STEM）横截面图像，可以清晰地看到紧密堆积且间距均匀的单壁碳纳米管。管间距离约3.3埃，这是管间范德华力相互作用的结果。

解析

整体内容概述

这段文字主要围绕图1中展示的单壁碳纳米管二维阵列结构展开描述，涵盖了不同形状单壁碳纳米管阵列的原子力显微镜图像、紧密堆积阵列的示意图以及在六方氮化硼衬底上单壁碳纳米管阵列的扫描透射电子显微镜横截面图像，并说明了管间距离与范德华力的关系。

各部分具体解析

1、“Fig. 1. Closely packed SWNT 2D array structures.”

解析：点明图1的主题，即紧密堆积的单壁碳纳米管二维阵列结构。这是对整张图内容的高度概括，让读者提前了解图的核心内容。

2、“(A and B) AFM images of SWNT arrays.”

解析：指出图1中的（A）和（B）部分是单壁碳纳米管阵列的原子力显微镜图像。原子力显微镜是一种能够提供高分辨率表面形貌信息的仪器，通过这些图像可以直观地观察到单壁碳纳米管阵列的表面结构特征。

3、“(C and D) AFM images of closed - loop–shaped SWNT arrays, including disk shape (C) and running track shape (D).”

解析：说明图1中的（C）和（D）部分是闭合环状单壁碳纳米管阵列的原子力显微镜图像，并且具体举例了（C）为圆盘形状，（D）为跑道形状。这展示了单壁碳纳米管阵列除了常见的排列形式外，还存在特殊形状的结构，丰富了对其形态的认识。

4、“(E) A schematic of the close - packed SWNT array.”

解析：表明图1中的（E）部分是紧密堆积的单壁碳纳米管阵列的示意图。示意图能够以简洁明了的方式呈现紧密堆积阵列的结构特点和排列方式，帮助读者理解其空间结构。

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：解释图1中的（F）部分是在六方氮化硼衬底上单壁碳纳米管阵列的扫描透射电子显微镜横截面图像。扫描透射电子显微镜具有高分辨率，能够观察到材料的内部结构。从图像中可以清晰看到紧密堆积且间距均匀的单壁碳纳米管。同时指出管间距离约3.3埃，并且说明这个距离是由管间范德华力相互作用导致的。范德华力是一种分子间的弱相互作用力，在单壁碳纳米管阵列中，这种力影响着管与管之间的排列和间距，对阵列的结构和性质有重要影响。

图2. 同手性单壁碳纳米管（SWNT）范德华（vdW）晶体的表征。（A）典型SWNT阵列的原子力显微镜（AFM）图像。插图展示了从白色虚线提取的高度剖面（约1.6纳米）。（B）图（A）中SWNT阵列的放大高分辨率AFM形貌图像，其中可以清晰地识别出紧密排列的单个SWNT。这些SWNT排列整齐且彼此平行，呈现出晶体结构。（C）图（B）中SWNT阵列的实验（黑线）和模拟（红线）高度剖面，显示出具有约1.53纳米均匀周期的振荡。（D）对应样品在不同SWNT与入射光偏振方向夹角下的偏振拉曼光谱。插图展示了拉曼G峰（黑色标记）和2D峰（蓝色标记）在极坐标中的角度依赖强度。当偏振方向垂直于SWNT时，拉曼强度几乎为零，反映了SWNT的近乎完美排列。a.u.，任意单位。（E）同一样品的拉曼径向呼吸模式（RBM），在207厘米-1处有一个单一的RBM峰，表明所有SWNT具有相同的直径。（F）同一样品的瑞利光谱，表明SWNT的手性均匀为（10, 7）。

解析

图2概述：

图2详细展示了同手性SWNT范德华晶体的多种表征结果，这些结果共同证明了SWNT阵列的高度有序性、同手性以及优异的电子特性。

具体解析：

1、AFM图像与高度剖面（A和插图）：

AFM图像直观展示了SWNT阵列的形貌，插图中的高度剖面进一步量化了SWNT阵列的厚度，约为1.6纳米，这大致相当于SWNT的直径。

2、高分辨率AFM形貌图像（B）：

放大后的高分辨率AFM图像清晰地显示了紧密排列的单个SWNT，这些SWNT排列整齐且平行，形成了晶体结构。这一观察结果直接证明了SWNT阵列的高度有序性。

3、高度剖面振荡（C）：

实验和模拟的高度剖面均显示出约1.53纳米的均匀周期振荡，这表明SWNT阵列中的SWNT具有相同的直径和潜在的手性，因为直径和手性会影响SWNT之间的间距和排列方式。

4、偏振拉曼光谱（D）：

偏振拉曼光谱通过测量不同偏振角度下的拉曼G峰和2D峰强度，揭示了SWNT的排列方向。当偏振方向垂直于SWNT时，拉曼强度几乎为零，这表明SWNT具有近乎完美的排列，因为只有在完美排列的情况下，偏振光才无法激发SWNT的拉曼活性模式。

5、拉曼RBM峰（E）：

拉曼RBM峰是SWNT直径的敏感指标。同一样品中只有一个RBM峰（207厘米-1），表明所有SWNT具有相同的直径。这一结果进一步支持了SWNT阵列的同手性。

6、瑞利光谱（F）：

瑞利光谱通过测量SWNT的光散射特性，揭示了SWNT的手性。同一样品中瑞利光谱显示SWNT的手性均匀为（10, 7），这直接证明了SWNT阵列的同手性。手性是SWNT的重要特性，它决定了SWNT的电子结构和传输特性。

图3. SWNT范德华晶体的生长机制

(A) 代表性SWNT阵列终端结构的原子力显微镜(AFM)形貌图像(顶部)及示意图(底部)。

(B) 开放线性SWNT阵列的示意图生长过程。

(C) SWNT段间的范德华(vdW)势能(红线)、滑动势能(蓝线)以及SWNT段间滑动势能与vdW势能之和(黑线)。(插图) 相邻SWNT在低摩擦六方氮化硼(hBN)基底引发的范德华吸引力作用下相互靠近的示意图。

(D) SWNT在hBN基底上的滑动势能。图(C)中的滑动势能线是从水平轴提取的。

(E) (20,0)型SWNT与hBN基底间随扭转角度变化的堆积能。此处，错位构型的堆积能设为零。插图AFM形貌图像显示了堆积方向的选择性。

(F) SWNT弯曲能随弯曲曲率半径R的变化关系。不同直径SWNT的弯曲能均与1/R²成正比。

(G) 固定周长下，闭合环状SWNT阵列的总能量随弧部分曲率半径的变化关系。红线向下偏移0.6毫电子伏特/原子，蓝线向上偏移0.4毫电子伏特/原子。阴影区域代表最佳曲率半径。插图展示了具有最小能量结构的示意图。

(H)至(J) 三种闭合环状结构的AFM形貌图像，对应于(G)中描述的结构。

解析

图3概述

图3详细阐述了SWNT（单壁碳纳米管）范德华晶体的生长机制，通过一系列实验和模拟数据，揭示了SWNT在hBN基底上自组装成高度有序阵列的过程。

具体解析

1、终端结构与生长过程：

(A)部分展示了SWNT阵列终端的AFM图像和示意图，揭示了SWNT如何以特定方式结束其生长。

(B)部分通过示意图描述了开放线性SWNT阵列的生长过程，强调了SWNT在hBN基底上的滑动和自组装行为。

2、势能与相互作用：

(C)部分展示了SWNT段间的vdW势能和滑动势能，以及它们的总和。这表明SWNT间的吸引力主要来源于vdW力，而低摩擦的hBN基底促进了SWNT的滑动和自组装。

(D)部分进一步细化了SWNT在hBN基底上的滑动势能，强调了基底对SWNT生长的重要影响。

3、堆积能与方向选择性：

(E)部分探讨了SWNT与hBN基底间的堆积能随扭转角度的变化，揭示了SWNT在hBN基底上生长时的方向选择性。这种选择性源于SWNT与hBN晶格间的特定匹配关系。

4、弯曲能与结构优化：

(F)部分分析了SWNT弯曲能随曲率半径的变化，指出不同直径SWNT的弯曲能均遵循1/R²的规律。这有助于理解SWNT在形成闭合环状结构时的能量变化。

(G)部分通过模拟固定周长下闭合环状SWNT阵列的总能量随弧部分曲率半径的变化，确定了最佳曲率半径范围。这为理解SWNT阵列的自优化过程提供了重要依据。

5、实验验证：

(H)至(J)部分通过AFM图像展示了三种闭合环状结构的实际形貌，与(G)部分的模拟结果相吻合。这些实验结果验证了模拟的准确性，并展示了SWNT阵列生长的多样性和可控性。

图4. 同手性单壁碳纳米管（SWNT）阵列场效应晶体管（FET）的电学性能

(A) SWNT阵列FET的原子力显微镜（AFM）形貌图及结构示意图。

(B) 和 (C) 分别为1毫米沟道长度的半导体型SWNT阵列器件的转移特性曲线 (B) 和输出特性曲线 (C)。

(D) 在大源/漏极偏压下，400纳米沟道长度的SWNT阵列器件的饱和电流。

(E) 至 (G) 将我们SWNT阵列FET的结果与文献中的FET进行了对比（文献7-9, 11, 13, 14, 22-25, 28-36, 45-50）。与现有研究结果相比，我们的同手性SWNT FET（以红色五角星标记）同时展现出了优异的开/关比、载流子迁移率和电流承载能力 [(E) 至 (G)]。这些优点源于具有超高密度、高度排列整齐和均匀手性的优秀SWNT阵列结构。理想SWNT阵列FET的阵列密度、开/关比和迁移率的目标值（在(E)和(F)中以蓝色虚线表示）最初由He等人提出，(E)和(F)中的蓝色区域标记了性能优于这些目标值的区域。

解析

这段文字主要描述了图4中展示的同手性单壁碳纳米管（SWNT）阵列场效应晶体管（FET）的电学性能，并进行了相关的对比分析。具体内容如下：

1、图4(A): 展示了SWNT阵列FET的原子力显微镜形貌图和结构示意图，这有助于直观理解器件的物理结构和形貌特征。

2、图4(B)和(C): 分别展示了1毫米沟道长度的半导体型SWNT阵列器件的转移特性曲线和输出特性曲线。这些曲线是评估FET性能的重要指标，能够反映器件在不同条件下的电学行为。

3、图4(D): 展示了大源/漏极偏压下，400纳米沟道长度的SWNT阵列器件的饱和电流。饱和电流是评估器件电流承载能力的重要参数，对于理解器件在高电压下的性能至关重要。

4、图4(E)至(G): 将研究中的SWNT阵列FET的性能与文献中的其他FET进行了对比。通过对比发现，研究中的同手性SWNT FET在开/关比、载流子迁移率和电流承载能力方面均表现出色。这些优异性能源于SWNT阵列的高密度、高度排列整齐和均匀手性。此外，图中还展示了理想SWNT阵列FET的性能目标值（由He等人提出），并标记了性能优于这些目标值的区域，进一步突出了研究中的SWNT FET的优越性。

       本研究报告了发现紧密排列、具有均匀手性、高度排列整齐且电学性能出色的SWNT阵列，这标志着向SWNT在纳米电子器件和电路中的实际应用迈出了一步。本研究提出的生长机制为制造复杂的纳米结构，特别是为开发新型范德华材料提供了一种方法。通过催化CVD方法在hBN衬底上直接生长出二维紧密排列的SWNT阵列，这些阵列中的 SWNT具有均匀的手性，并且彼此精确平行排列，间距恒定为0.33nm，形成了晶体结构。基于这些生长的SWNT阵列构建的场效应晶体管在室温下表现出高性能，载流子迁移率高达2000平方厘米每伏特每秒，开关比约为107，最大电流密度约为6毫安每微米。这些优异的电学性能归因于SWNT阵列极小的管间距离、精确的排列以及非常高的半导纯度。尽管在每个SW NT阵列内保持了均匀的手性，但不同阵列之间仍存在变化。实现晶圆级的手性均匀性仍然是一个重大挑战。
 

本文的创新点主要体现在以下几个方面：

1、直接生长高密度、高排列整齐且纯为半导体的单壁碳纳米管（SWNT）阵列：

高密度与高排列整齐：文章报道了在六方氮化硼（hBN）基底上直接生长出紧密排列的二维SWNT阵列，这些阵列中的SWNT具有高度一致的排列方向和均匀的间距（0.33nm），形成了晶体结构。

纯为半导体：通过控制生长条件，实现了SWNT阵列的纯半导体特性，这对于提升基于SWNT的集成电路性能至关重要。

2、揭示了SWNT阵列的自组装生长机制：

分子动力学模拟：通过分子动力学模拟，揭示了SWNT阵列通过自组装方式生长，这得益于SWNT之间的范德华吸引力和SWNT在hBN基底上的超低滑动摩擦力。

生长过程解释：提出了SWNT阵列通过单个长SWNT多次折叠形成的生长过程，而非不同SWNT的简单组装。

3、展示了基于SWNT阵列的高性能场效应晶体管（FET）：

高载流子迁移率：基于生长的SWNT阵列构建的FET在室温下表现出高达2000 cm²V⁻¹s⁻¹的载流子迁移率。

高开关比和电流密度：实现了接近10⁷的开关比和高达6 mA/μm的最大电流密度，这些性能指标优于或接近传统硅基FET和之前报道的SWNT阵列或薄膜FET。

4、SWNT阵列的均匀手性和精确控制：

均匀手性：通过表征技术确认了SWNT阵列内的SWNT具有均匀的手性（如(10,7)），这对于实现高性能电子器件至关重要。

精确控制：实现了对SWNT阵列结构（包括排列方向、间距和手性）的精确控制，为定制化纳米电子器件的制造提供了可能。

5、提出了新的二维范德华材料生长策略：

二维SWNT范德华晶体：由于SWNT之间的范德华相互作用和均匀的间距，将生长的SWNT阵列命名为SWNT范德华晶体，这为开发新型二维材料提供了新思路。

生长机制的应用：所揭示的生长机制不仅适用于SWNT，还可能推广到其他一维纳米材料的生长中，促进新型纳米结构和器件的开发。

6、实验与模拟相结合的研究方法：

多尺度模拟：结合了粗粒化和全原子分子动力学模拟，深入理解了SWNT在hBN基底上的生长和排列机制。

实验验证：通过原子力显微镜（AFM）、扫描透射电子显微镜（STEM）、拉曼光谱和瑞利散射光谱等多种实验手段验证了模拟结果，确保了研究的准确性和可靠性。

这些创新点共同推动了SWNT在纳米电子器件领域的应用进展，为开发高性能、低功耗的纳米电子器件提供了新的思路和材料基础。

摘自《石墨烯研究》公众号