世界首次，碳纳米管晶体管诞生，登《Science》

一、研究背景

一维单臂碳纳米管（CNT）由六方键合的sp2碳原子组成的一维螺旋管状分子结构，可看作由二维石墨烯片按一定方向卷曲而成。CNT凭借优异的力学性能和电学性能称为未来科技的核心。其中，力学性能方面，被NASA称为是唯一有望制造“太空天梯”，并实现人类“太空梦”的材料。在电学方面，碳纳米管具有极高的载流子迁移率，有研究表明用CNT制备出的计算机的运行速度远超目前的所有计算机。CNT具有巨大的研究价值。

天空天梯

碳纳米管量子计算机

然而，碳纳米管结构的精确控制以及大批量生产上仍是一项重大的研究课题。其中一个关键的科学问题就是单一碳纳米管的手性控制。研究表明，金属和半导体纳米管之间的分子结也可以作为纳米级电子器件的基础，分子内CNT结具有类似整流二极管的非线性传输特性。这些结在纳米管生长过程中随机出现的缺陷处形成。机械应变可以改变电子特性，理论上，塑性应变可以改变CNT的手性，从而形成分子内纳米管结。在实验上，已经报道了通过塑性变形对CNT手性进行改性，但这些转变以及由此产生的电学性质并没有被控制，而是被认为是由不同手性结构之间的微小能量差异引起的随机跳跃。

二、研究成果

针对这一问题，日本材料科学中心Dai-Ming Tang研究团队报道了一种碳纳米管分子内晶体管的设计和制造，其中局部手性是通过在透射电子显微镜（TEM）内以受控的方式通过热机械加工改变的。对金属性碳纳米管进行热机械加工，导致内部段发生手性转变，从而形成分子内纳米管晶体管。这些晶体管的通道长度短至2.8 nm，在室温下表现出相干量子干涉。相关成果以题为“Semiconductor nanochannels in metallic carbon nanotubes by thermomechanical chirality alteration”发表在了Science上。

三、研究内容

图1. 碳纳米管晶体管的制备与表征

该图展示了碳纳米管晶体管的制备与表征，可以看出晶体管的长度为2.8 nm，在室温下具有良好的量子干涉效应。原位TEM方法结合了纳米操纵、原子表征和晶体管测量。使用TEM内的两个压电控制探针，对悬浮的单个CNT施加逐步的电、热和机械刺激。结果表明：CNT通过直接生长或生长后转移并依附于金属纳米线或TEM网络的边缘。在TEM下，从金属边缘突出的CNT被发现。纳米管的塑性变形被激活并在加热下引起局部手性变化。这个局部变形取决于碳纳米管的一维热传输以及与电极的接触情况。

图2. 碳纳米管晶体管的金属-半导体转变

该图展示的CNT的制备过程及金属-半导体的转变机制，这个CNT的初始直径为7.7nm,表现为金属特性。热机械加工在偏压为3.0V,电流为6.5 μA脉冲时间为0.1 ms的条件下进行, 经过8次循环，通道长度从~15.2 nm增加到~26.1 nm，直径从~7.7 nm减小到~2.7 nm。CNT的手性发生转变，并表现出双极传输特性，其中，电子和空穴部分高度对称。该费米能级位于带隙中间的金属纳米管和本征半导体纳米管之间的分子结处。在另外三次拉伸循环后，管直径进一步减小至~1.7 nm，并且开启电流所需的栅极电压变得更高，进一步证实反向加宽的带隙与碳纳米管直径成正比。

图3. 碳纳米管的手性转变机制

作者通过纳米电子束图像中的层线间距计算出了每个管壁的手性角度。并发现手性角度有向更大角度收敛的趋势。对于初始手性角度为~9.2 的壳层, 逐渐增加到~23.2 。对于初始手性角度为~24.4 的壳层, 逐渐增加到30 ，并在27 -30 之间波动。

四、结论

一般来说，CNT的塑性变形和手性可以归因于位错的运动，理论上，均属于CNT结构中位错的成核机制，即应力引起的结合键跳跃以及热活性碳二聚体的蒸发。由于结合键跳跃以及 Stone-Thrower-Wales缺陷引起位错的滑移，进而导致手性改变。

五、文献

文献链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8884

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