北京大学碳纳米管「北京大学微电子黄芊芊」

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“TOP大学来了”小编按，5月22日出版的《Science》，刊发北京大学电子系2篇论文，分别是：张志勇-彭练矛《用于高性能电子器件的定向高密度半导体碳纳米管阵列》和 孙伟《核酸引导的高性能碳纳米管晶体管的制备》。

集成电路的发展要求互补金属氧化物半导体（CMOS）晶体管在持续缩减尺寸的同时提升性能，降低功耗。随着主流CMOS集成电路缩减到亚10 nm技术节点，采用新结构或新材料对抗场效应晶体管中的短沟道效应、进一步提升器件能量利用效率变得愈加重要。在诸多新型半导体材料中，半导体碳纳米管具有超高的电子和空穴迁移率、原子尺度的厚度和稳定的结构，是构建高性能CMOS器件的理想沟道材料。已公开的理论计算和实验结果均表明，碳管CMOS晶体管采用平面结构即可缩减到5nm栅长，且较同等栅长的硅基CMOS器件具有10倍的本征性能-功耗综合优势。

碳纳米管集成电路批量化制备的前提是实现超高半导体纯度（>99.9999%）、顺排、高密度（100～200 /μm）、大面积均匀的碳纳米管阵列薄膜（见图1）。长期以来，材料问题的制约导致碳管晶体管和集成电路的实际性能远低于理论预期，甚至落后于相同节点的硅基技术至少一个数量级，因而成为碳管电子学领域所面临的最大的技术挑战。

北京大学信息科学技术学院电子学系/北京大学碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室张志勇教授-彭练矛教授课题组发展全新的提纯和自组装方法，制备高密度高纯半导体阵列碳纳米管材料，并在此基础上首次实现了性能超越同等栅长硅基CMOS技术的晶体管和电路，展现出碳管电子学的优势。该课题组采用多次聚合物分散和提纯技术得到超高纯度碳管溶液，并结合维度限制自排列法，在4英寸基底上制备出密度为120/μm、半导体纯度高达99.99995%、直径分布在1.45±0.23 nm的碳管阵列（见图2），从而达到超大规模碳管集成电路的需求。基于这种材料，批量制备出场效应晶体管和环形振荡器电路，100nm栅长碳管晶体管的峰值跨导和饱和电流分别达到0.9 mS/μm和1.3 mA/μm（VDD=1V，见图3），室温下亚阈值摆幅为90 mV/DEC；批量制备出五阶环形振荡器电路，成品率超过50%，最高振荡频率8.06 GHz远超已发表的基于纳米材料的电路（见图4），且超越相似尺寸的硅基CMOS器件和电路。

图1.大规模集成电路对碳管材料的要求

图2.高密度、高纯度半导体碳管阵列的制备和表征

图3.高性能碳管晶体管

图4.碳管高速集成电路

该项工作突破了长期以来阻碍碳管电子学发展的瓶颈，首次在实验上显示出碳管器件和集成电路较传统技术的性能优势，为推进碳基集成电路的实用化发展奠定了基础。2020年5月22日，相关研究成果以《用于高性能电子学的高密度半导体碳纳米管平行阵列》（“Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics”）为题，在线发表于《科学》（Science，第368卷6493期850～856页）；电子学系2015级博士研究生刘力俊和北京元芯碳基集成电路研究院工程师韩杰为并列第一作者，张志勇和彭练矛为共同通讯作者。

上述研究得到国家重点研发计划“纳米科技”重点专项、北京市科技计划、国家自然科学基金等资助。湘潭大学湖南省先进传感与信息技术创新研究院、浙江大学、北京大学纳光电子前沿科学中心等单位研究人员参与合作。

生物自组装结构具有精细的三维形貌，其关键结构参数小于光刻等传统纳米加工手段的分辨率极限。利用自组装生物分子作为加工模板，目前已实现金属材料、碳基材料、氧化物材料的可控形貌合成。然而，基于生物模板的电学器件的性能往往远落后于通过蚀刻或薄膜方法制备的同类器件，且缺乏长程取向规整性，因而制约了生物模板在高性能器件中的应用。

为此，北京大学信息科学技术学院电子学系/北京大学碳基电子学研究中心、纳米器件物理与化学教育部重点实验室孙伟研究员课题组与厦门大学朱志教授课题组、清华大学唐建石研究员课题组、美国国家标准与技术研究院郑明博士合作，探索了生物-碳纳米管复合界面及大面积取向排列的调控新方法。

孙伟等以组装于脱氧核糖核酸（DNA）模板的平行碳纳米管阵列作为模型体系，研究界面生物分子组成对器件性能的影响，开发了一种基于固定-洗脱策略的界面工程方法，在不改变碳管排列的基础上，有效去除界面处的金属离子及生物分子等杂质。经过界面工程，基于生物模板的碳管阵列晶体管显示了良好的开态性能和快速的电流开关切换，从而展现出高精准度生物模板在高性能晶体管领域的应用潜力。基于空间限域效应，他们还发展了阵列取向排列的新方法，探讨了决定取向排列精准度的关键因素。在高性能电子器件和生物分子自组装的交叉领域上，这一方法具有实现基于生物模板的大规模电子器件的潜力。进一步结合光刻技术与嵌段共聚物定向组装技术，高分辨生物制造可用于构建大面积、小尺寸的高性能电子设备；同时，结合电学特性与生物响应特性的高性能电子-生物融合器件也可应用于未来的生物传感器与驱动器。

通过优化DNA-CNT界面组成，构筑基于核酸模板的高性能晶体管（左）；在厘米级基底表面取向排列大规模阵列（右）

2020年5月22日，相关研究成果以《核酸引导的高性能碳纳米管晶体管的制备》（“DNA-directed nanofabrication of high-performance carbon nanotube field-effect transistors”）为题，在线发表于《科学》（Science，第368卷6493期878～881页）；电子学系2018级博士研究生赵梦宇为第一作者，厦门大学化学化工学院2016级博士研究生陈雅鸿为共同第一作者，孙伟和朱志为通讯作者。

相关研究工作得到国家自然科学基金、北京大学“中央高校建设世界一流大学（学科）和特色发展引导专项”资助。

审核、编辑：大可

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