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yexuqing木蟲之王 (文學(xué)泰斗)
太陽系系主任
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突破30年難題，純手性碳納米管陣列“問世” 向芯片應(yīng)用再進(jìn)一步
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突破30年難題，純手性碳納米管陣列“問世” 向芯片應(yīng)用再進(jìn)一步 時(shí)隔11個(gè)月，上海交通大學(xué)（以下簡稱上海交大）教授史志文團(tuán)隊(duì)與合作者再發(fā)頂刊。 去年4月，他們在實(shí)驗(yàn)室“種”出世界最長、性能最優(yōu)的石墨烯納米帶，成果發(fā)表在《自然》。這個(gè)陽春三月，他們又有所收獲，首次成功制備出緊密排列、手性單一的單壁碳納米管陣列，實(shí)現(xiàn)了碳納米管從無序生長到有序陣列的突破。成果北京時(shí)間3月14日發(fā)表于《科學(xué)》。 “這是朝著單晶夢邁出的一大步�！薄白髡甙l(fā)現(xiàn)了一些非常有價(jià)值的東西，可能對(duì)領(lǐng)域產(chǎn)生重大影響�！薄皠�(chuàng)新性強(qiáng)、有沖擊力、文章寫得好，值得在《科學(xué)》上發(fā)表。”三位國際審稿人給出的評(píng)價(jià)都非常高。 排列整齊、手性一致的單壁碳納米管。受訪者供圖 30年難題獲突破 碳納米管自1991年被發(fā)現(xiàn)以來，一直被視為下一代計(jì)算機(jī)芯片的理想材料。這種一維材料直徑只有1納米，是“最細(xì)”的半導(dǎo)體材料，但其電子遷移率卻遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅材料，為制造更小、更快、更節(jié)能的晶體管提供了可能。 在實(shí)際應(yīng)用中，需要將大量的碳納米管以高度有序的方式排列在一起，以提高一致性和功能性。然而，現(xiàn)有的兩種主要制備方法——受控的化學(xué)氣相沉積生長和使用后生長技術(shù)組裝碳納米管仍存在不少缺陷。前者存在手性不均一的問題，后者存在因表面活性劑和聚合物導(dǎo)致質(zhì)地不純凈的問題，且兩者都存在碳納米管捆綁和排列紊亂的問題。 國內(nèi)外許多科學(xué)家都在嘗試攻克這些嚴(yán)重限制碳納米管集成電路應(yīng)用的難題。例如北京大學(xué)彭練矛院士團(tuán)隊(duì)就走在這一領(lǐng)域的世界前沿，通過對(duì)隨機(jī)生長的碳納米管進(jìn)行純化處理，將其純度提升到99.99%甚至更高，實(shí)現(xiàn)了在集成電路上的初步應(yīng)用。北京大學(xué)張錦院士、李彥教授通過采用特殊的生長基底或催化劑也使得碳納米管的手性單一度達(dá)到90%以上。“這些都是非常了不起的工作。”史志文對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說。 然而，如何直接生長出緊密排列、手性單一，可承載高電流密度的半導(dǎo)體性碳納米管陣列？這仍然是全球領(lǐng)域內(nèi)科學(xué)家的努力方向。 史志文團(tuán)隊(duì)通過采用原子級(jí)平整的六方氮化硼為基底，利用其超潤滑特性，在基底上直接生長出規(guī)律性地整齊密排、手性單一的單壁碳納米管自組裝陣列，實(shí)現(xiàn)了這一領(lǐng)域科學(xué)家30多年來的理想追求。 “氮化硼基底的超平滑特性，使得生長出的碳納米管能夠在基底上自由滑移，并自組裝成高度有序的陣列結(jié)構(gòu)。這種方法不僅解決了碳納米管生長中的結(jié)構(gòu)控制難題，還實(shí)現(xiàn)了手性高度一致的陣列�！笔分疚南颉吨袊茖W(xué)報(bào)》解釋道。 在史志文團(tuán)隊(duì)的論文中，可以看到被放大后的碳納米管宛如一根靈動(dòng)的“面條”，在氮化硼基底上自由、反復(fù)折疊，形成“橋梁”“單行道”“玉佩”“操場跑道”等多種陣列形狀�！疤脊茉谄交幕咨匣茣r(shí)，遇到障礙物后就會(huì)拐彎，靠著它自身和自身之間的范德華吸引力，貼在一起。因?yàn)橐桓脊茏陨淼慕Y(jié)構(gòu)和性質(zhì)是均勻不變的，自組裝形成的陣列結(jié)構(gòu)和性質(zhì)也會(huì)如此，每一段平行排列、緊密相鄰的碳管結(jié)構(gòu)和手性都一模一樣�！笔分疚慕忉屨f。 碳納米管折疊后自組裝形成的不同形狀。受訪者供圖 在器件性能方面，該團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院物理研究所研究員張廣宇團(tuán)隊(duì)開展合作研究，所得到的碳納米管陣列晶體管表現(xiàn)卓越：載流子遷移率高達(dá)2000平方厘米每伏每秒，開關(guān)比高達(dá)107，超過普遍的105~106的可用標(biāo)準(zhǔn)，開態(tài)電流密度約為1.2毫安每微米，優(yōu)于硅基電路發(fā)展路線圖中對(duì)未來數(shù)年的預(yù)期指標(biāo)。 “好運(yùn)氣”與“精打磨” 談起這項(xiàng)研究背后的故事，史志文笑言：“有運(yùn)氣成分在里面�！� 在碳納米管研究與產(chǎn)出的三十多年歷程中，不乏有團(tuán)隊(duì)生長出“米級(jí)”碳管，但無人發(fā)現(xiàn)碳管可通過“自折疊”和“自組裝”實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的均勻密排和手性結(jié)構(gòu)的一致性。史志文團(tuán)隊(duì)大膽嘗試六方氮化硼基底與碳納米管的新組合，“意外好運(yùn)”地收獲了一系列有趣的新材料——性能優(yōu)異的超長石墨烯納米帶、單一手性密排碳納米管陣列。 “做科學(xué)研究，運(yùn)氣有時(shí)候蠻重要，運(yùn)氣好時(shí)能發(fā)現(xiàn)許多新事物，運(yùn)氣不好時(shí)，可能兩三年都是沉寂的狀態(tài)�！笔分疚恼f。 不過，運(yùn)氣不會(huì)憑空而來。在史志文看來，嘗試別人沒做過的事情是一個(gè)關(guān)鍵所在�！斑@就像挖礦，你一定要去探索那些別人沒有探過的地方，才有更大的機(jī)會(huì)能發(fā)現(xiàn)一些有價(jià)值的新事物�！彼f。 史志文表示，實(shí)際科研過程，導(dǎo)師往往只是指明大的探索方向，告訴學(xué)生哪個(gè)地方可能有“金礦”，但能不能找到礦，關(guān)鍵還要看學(xué)生�！拔乙兄x我的學(xué)生，他們總能敏銳地捕捉到有價(jià)值的新事物，在后續(xù)的研究中也非常努力�！彼f。 “2022年，師兄陳佳俊博士（論文共同一作兼共同通訊）最早發(fā)現(xiàn)碳納米管自組裝形成密排陣列的現(xiàn)象，當(dāng)時(shí)我們課題組的人都很興奮，大家都預(yù)感到這將是一項(xiàng)重大成果�！笔分疚膱F(tuán)隊(duì)博士生張智淳對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說。 2023年7月陳佳俊博士畢業(yè)后，張智淳、陳一和沈沛約（均為論文共同第一作者）接力該項(xiàng)目研究，他們堅(jiān)持不懈的努力，讓團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了較穩(wěn)定的碳管陣列產(chǎn)出，最終取得重大突破。 如何將這個(gè)重磅成果發(fā)表在一流期刊上讓更多的同行關(guān)注到呢？這也是擺在研究團(tuán)隊(duì)面前的一道不小的難題。史志文強(qiáng)調(diào)：“好的科研成果需要‘精打細(xì)磨’。” 史志文所說的“打磨”，就是去偽存真，用精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)與圖像，以最直觀、簡潔的方式將科學(xué)發(fā)現(xiàn)的本來面目展現(xiàn)出來。 在他們的這項(xiàng)研究中，有一幅看似很普通的圖——數(shù)十根整齊排列的碳納米管陣列的橫截面圖，就像被整齊切斷的“空心面條”。 像被整齊切斷的“空心面條”一樣，整齊排列的碳納米管陣列的橫截面圖。受訪者供圖 但獲取這幅圖的難度卻與“在案板上切面條”不可同日而語。史志文向記者介紹：“人的頭發(fā)絲直徑約50微米，而單個(gè)碳納米管直徑不足頭發(fā)絲的萬分之一�！庇捎谔技{米管極為細(xì)小，在宏觀層面根本無法看到單個(gè)碳管，檢測其整齊排列更是難上加難。在透射電子顯微鏡下尋找樣品，猶如大海撈針，而且獲取圖像時(shí)，電子束必須調(diào)整到與樣品管子方向完全平行，否則無法看到碳管的環(huán)狀結(jié)構(gòu)。想要觀測到整齊的碳管陣列的橫截面，可謂古人過蜀道——難如登天。 起初，陳佳俊前往上海交通大學(xué)分析測試中心嘗試獲取圖像，連續(xù)奮戰(zhàn)幾天幾夜，卻一無所獲。于是，團(tuán)隊(duì)開始尋求更專業(yè)的人士，然而在接連找尋兩個(gè)合作團(tuán)隊(duì)，研究了近一年后，問題始終未能攻克。最后，合作者又推薦了浙江大學(xué)材料系教授金傳洪，借助金傳洪團(tuán)隊(duì)在碳納米管成像技術(shù)方面的豐富經(jīng)驗(yàn)，最終成功獲得了理想的圖像。 “光是為了得到這幅圖，我們團(tuán)隊(duì)就花費(fèi)了近兩年時(shí)間。”史志文告訴記者。 除此之外，團(tuán)隊(duì)成員還開展了大量實(shí)驗(yàn)，獲取了豐富的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。通過掃描探針技術(shù)表征，證實(shí)了碳管排列良好、取向一致；拉曼光譜顯示碳管直徑統(tǒng)一；瑞利光譜表明其手性結(jié)構(gòu)一致，充分證明了陣列內(nèi)碳管之間毫無差異。 不止如此，為弄清碳納米管如何在六方氮化硼上自組裝，他們還與武漢大學(xué)教授歐陽穩(wěn)根合作開展了大量理論研究，對(duì)碳納米管的生長過程，包括自組裝的原因、摩擦力和范德華作用力的大小等進(jìn)行了深入分析�！白罱K，我們經(jīng)過反復(fù)溝通、分析，才構(gòu)建出完善的理論模型�！闭撐墓餐谝蛔髡�、在兩個(gè)合作團(tuán)隊(duì)之間發(fā)充當(dāng)“潤滑劑”的博士生陳一對(duì)《中國科學(xué)報(bào)》說。 這些工作為最初的科學(xué)發(fā)現(xiàn)提供了充分、直觀的科學(xué)證據(jù)。2024年10月底，團(tuán)隊(duì)將撰寫完成的論文投稿至《科學(xué)》雜志編輯部。令人驚喜的是，此后的審稿流程進(jìn)展迅速：兩周左右論文被送往外審，不到兩個(gè)月便收到三位同行評(píng)議人的高度評(píng)價(jià)回復(fù)。今年2月中旬，論文在投出三個(gè)多月后順利被接受，到最終發(fā)表歷時(shí)僅四個(gè)多月。 “從投稿到最終接收，我們一個(gè)數(shù)據(jù)都沒用補(bǔ)充。因?yàn)榍捌谝呀?jīng)打磨得充分�！笔分疚淖孕诺卣f。 史志文（右一）和團(tuán)隊(duì)中的論文作者陳佳俊、陳一、張智淳（從左至右）。受訪者供圖 “做點(diǎn)不一樣的，做點(diǎn)新的” “碳納米管從無序生長到有序陣列生長的突破，為深入研究碳納米管的基本物性提供了理想模型，有助于科學(xué)家進(jìn)一步探索其量子特性。在應(yīng)用領(lǐng)域，我們的研究也為碳納米管在半導(dǎo)體器件，尤其是芯片制造領(lǐng)域的應(yīng)用帶來新希望�！笔分疚娜缡墙庾x這項(xiàng)研究成果的意義。 盡管研究成果收獲了諸多贊譽(yù)，史志文卻坦承，目前的研究仍存在不足。要實(shí)現(xiàn)碳納米管陣列的實(shí)際應(yīng)用，還面臨兩大難題：一是讓碳納米管生長得足夠長；二是深入了解其性能機(jī)理，實(shí)現(xiàn)對(duì)其自組裝過程的精準(zhǔn)控制。 “現(xiàn)在，我們一個(gè)陣列的尺寸只能做到數(shù)微米長、數(shù)百納米寬。下一步如果能夠把單根碳納米管長到毫米級(jí)、厘米級(jí)，甚至是米級(jí)長度，再把它折疊起來，陣列的尺寸就會(huì)很可觀�！笔分疚恼f，若能攻克大規(guī)模制備難題，碳納米管有望憑借其出色的電學(xué)性能，成為新一代芯片材料，推動(dòng)集成電路向更小尺寸、更高頻率、更低能耗的方向邁進(jìn)。 展望未來的研究，史志文回憶起十多年前在中國科學(xué)院物理研究所讀博時(shí)，導(dǎo)師王恩哥院士常說的一句話：“Do something different，do something new”（做點(diǎn)不一樣的，做點(diǎn)新的）。 他認(rèn)為，團(tuán)隊(duì)的研究之所以能夠取得重大發(fā)現(xiàn)，一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在于在研究起點(diǎn)上選擇了與他人不同的路。如今，他也希望將這一理念傳遞給學(xué)生和更多人，激勵(lì)他們在科研道路上不斷創(chuàng)新、勇攀高峰。 （實(shí)習(xí)生宋書扉對(duì)本文亦有貢獻(xiàn)） 相關(guān)論文信息： https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu1756 |
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