中科院苏州纳米所李清文

qingli

半导体碳纳米管(s-CNTs)是构筑下一代CMOS器件与集成电路的理想沟道材料之一。然而，制备晶圆级高密度和高均匀的s-CNT取向阵列仍是一项具有挑战性的工作。近年来，基于溶液后分离策略的取向阵列制备技术取得了突破性进展，在双液相界面的限域空间内，s-CNTs可以在衬底提拉过程中自组装为高密度平行阵列。在这类取向自组装过程中，s-CNT的本征特性的差异和试验环境均会对最终结果产生很大的影响。比如在已报道的几个成功案例中，s-CNT的长度从400nm到3000nm不等。半导体碳纳米管的长度和长度分布究竟如何影响取向组装过程，其内在机制尚未得到系统地研究。

      中科院纳米所邱松/李清文团队开发了一种超声截短结合超细硅胶吸附的方法，实现了半导体碳纳米管的长度控制与长度分选。并进一步系统研究和比较了不同长度分布的几组s-CNT在液-液界面的取向自组装过程。结果表明，几个长度对照组的s-CNT都能在4英寸氧化硅衬底上形成大范围的取向阵列。但不同对照组s-CNT取向阵列中的缺陷形态与缺陷密度各不相同。含有超长碳管（大于2μm）的“对照组”在取向过程中，容易形成长碳管的弯曲缺陷，并对后续取向区域造成较大范围的影响；而含有较多超短碳管（小于160 nm）的“截短组”在取向过程中，会产生众多的小尺度缺陷，造成小范围的畸变影响。经过有效去除了超长碳管和超短碳管的“长度控制组”中，在大尺度范围上获得了最佳的取向均匀度和取向密度（100 s-CNTs/μm），同时该取向阵列中的缺陷密度也最低。对相关结果通过FET器件进行了验证，发现基于“长度控制组”碳管阵列制备的晶体管器件，其开态电流密度比未经过长度分选的“对照组”高出了64%。本文的工作系统比较了半导体碳纳米管的长度分布情况对液-液界面内取向组装过程的影响，有助于增进我们对纳米尺度自组装过程的理解，推进了半导体碳纳米管材料在纳电子领域的应用。
       文章信息:H. Wen, J. Yao, Y. Li, et al. Length-dependent alignment of large-area semiconducting carbon nanotubes self-assembly on a liquid–liquid interface. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4782-8.