近日，上海交通大学物理与天文学院史志文教授、梁齐教授与合作者在《Science》上发表题为“Homochiral carbon nanotube van der Waals crystals”的研究论文，论文以First Release的形式在Science网站提前在线发表。该研究开发了一种制备碳纳米管阵列的全新方法，成功实现了单一手性平行密排碳纳米管阵列的直接生长，首次得到了碳纳米管范德华晶体结构，并演示了所制备的碳纳米管阵列可用于制造高性能场效应晶体管器件。

图1 Science论文首页截图

　　碳纳米管是碳材料家族(包括金刚石、石墨烯、足球烯等)中的一员明星，于1991年首次被实验发现。碳纳米管可以看成是由石墨烯卷曲而成的一维管子，直径仅有1纳米，是目前已知最细的材料。这种材料的电子迁移率远超传统硅基材料，为制造更快、更小、更节能的晶体管提供了可能，被视为未来电子器件的理想材料之一，有望推动下一代计算机芯片的革新。

　　在实际芯片应用中，需要大量结构完全相同的半导体性碳纳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，直接生长的碳纳米管手性结构随机，性质极难控制，统计上有1/3的碳管表现出金属性，2/3的碳管表现为半导体性，而且通常存在排列方向混乱的问题，严重制约了碳纳米管在集成电路中的应用。

图2 碳纳米管范德华晶体结构示意图

　　诺贝尔奖得主Richard E. Smalley教授曾在2001年提出碳纳米管研究领域的一个重要难题和研究目标：如何制备出由单一手性碳纳米管整齐平行紧密排列而成的晶体结构?国内外许多科学家都在尝试攻克这一难题。然而，二十多年过去了，Smalley教授提出的目标一直未能实现。

　　针对以上挑战，上海交通大学史志文团队联合武汉大学欧阳稳根团队、浙江大学金传洪团队和中科院物理所张广宇团队，独辟蹊径开发出全新的滑移自组装生长技术，在原子级平整的六方氮化硼基底上实现了单一手性密排的碳纳米管阵列的直接生长，形成碳纳米管范德华晶体这一完美结构。

图3 单一手性且平行密排的碳纳米管阵列

　　碳纳米管阵列晶体是通过一种纳米颗粒催化的化学气相沉积(CVD)生长技术实现的。实验观测发现，生长得到的碳纳米管阵列均由同一手性的碳纳米管组成，碳纳米管之间相互平行、紧密排列，间距为固定的0.33 nm。理论分析揭示，这种近乎完美的阵列结构的形成源自于碳纳米管与六方氮化硼基底之间的超润滑摩擦特性及碳纳米管间的范德华相互作用：生长出的碳纳米管可以在基底上自由滑动，找到能量更低的构型，反复折叠排列在一起，并最终自组装形成范德华晶体结构。

图4 碳纳米管阵列晶体管器件的优异性能

　　得益于碳纳米管阵列单一手性和平行密排的结构特征，基于碳纳米管阵列制造的场效应晶体管展现出了优异的电学性能，载流子迁移率接近2,000 cm2V–1s–1，电流承载能力大于6.5mA/μm，开关比可达107，这些器件指标不仅超越以往报道的结果，也优于硅基电路发展路线图中对未来数年的预期指标。特别地，开态电流承载能力大幅超越了相同加工精度下通过其它方法制备的碳纳米管阵列晶体管。这些出色的器件性能展现出所制备的单一手性密排碳纳米管阵列在未来高性能碳基纳米电子芯片应用中的巨大潜力。

　　论文共同第一作者为上海交通大学物理与天文学院张智淳、陈一、沈沛约、陈佳俊博士、武汉大学王森和浙江大学汪博博士。共同通讯作者为史志文教授、梁齐教授、陈佳俊博士、中科院物理所张广宇研究员、浙江大学金传洪教授和武汉大学欧阳稳根教授。论文合作者还包括上海交通大学贾金锋教授、钱冬教授、王国华博士、马赛群、周先亮、娄硕、吴正瀚、谢宇烽、张诚嘉、王立果、李昊楠、徐琨淇博士、浙江大学王孝群教授、中科院物理所杨威研究员、日本国立材料研究所Kenji Watanabe教授和Takashi Taniguchi教授。本工作得到科技部、自然科学基金委的资助，在此深表感谢。

　　论文链接：

　　https://www.science.org/doi/10.1126/science.adu1756