科研成果

Carbon nanotube-based three-dimensional monolithic optoelectronic integrated system 
(信息学院彭练矛教授课题组在碳纳米管三维光电集成研究中取得重要进展)

 

 

集成电路是新一代信息技术产业的重要组成部分。过去数十年间,按照摩尔定律的预测,随着晶体管尺寸不断缩减,芯片的功能越来越强大、集成度越来越高;然而,随着接近10 nm的技术节点,因受到物理定律、成本等制约而很难进一步提升。2015年,国际半导体技术发展路线图(ITRS)委员会正式宣布摩尔定律将走到尽头,信息技术进入后摩尔时代。学界和业界一直在探索超越互补金属氧化物半导体(beyond CMOS)架构的方式,片上光互联和三维集成架构成为研究热点之一。

碳纳米管具有尺寸小(13 nm)、高迁移率、平均自由程长、宽光谱响应等诸多优势,有望实现片上的三维光电集成,因此被认为是后摩尔时代的理想沟道材料,在电子和光电子器件中得到广泛研究,然而迄今未见碳管光互连和三维集成架构的相关研究报道。

北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授课题组在碳纳米管电子学领域发展了高性能碳管电子、光电子器件的无掺杂制备方法,利用对称电极制备高性能碳管晶体管,利用非对称电极实现碳管光电二极管和发光二极管,与此同时,采用相同工艺在基底上制备电子和光电子器件,克服了传统材料中电子与光电子器件制备工艺不兼容的难题,通过引入“虚电极”的光伏倍增效应,有效提高碳管光电二极管的开路电压输出(9级级联的碳管光电二极管开路电压输出可以倍增到高于2V),从而实现了对后级晶体管器件的静电控制。

此外,课题组利用碳管晶体管高效控制手性富集的碳管发光器件,实现了基于“trion”发光机制的碳管光发射机;利用碳管光接收器和碳管光发射机实现了光电混合集成的“与”逻辑门;进一步地,首次实现了光伏模式的碳管单片三维堆叠的光电集成回路,其纵向集成尺度在亚30nm量级;在此基础上,提出了基于channel-division-multiplexingCDM)的互连架构,顶层存储器中的数据可以电信号的方式被传送到顶层的碳管光发射器,再以光信号的方式被平行映射到底层的碳管光接收机中,转化为电信号,随后由底层的碳管电路处理,为超越CMOS架构提供了有价值的参考。

基于这项工作的学术论文以《碳纳米管三维单片光电集成系统》(Carbon nanotube-based three-dimensional monolithic optoelectronic integrated system)为题,于201768日在线发表于《自然·通讯》(Nature CommunicationsDOI: 10.1038/ncomms15649);前沿交叉学科研究院博士研究生刘旸为论文第一作者,彭练矛为通讯作者。

以上研究得到国家重点研发计划、重大科学研究计划、国家自然科学基金等资助;中国科学院物理研究所刘华平研究员为相关实验提供了手性富集的碳纳米管材料。

基于碳管光接收器和光发射机的光电混合集成的“与”逻辑门

 

      碳管三维光电集成系统

 

The future of computer processing 
(彭练矛团队碳基集成电路成果被《2017中国自然指数》专题报道)

 

         2017年5月25日,英国《自然》期刊增刊《2017中国自然指数》(第5545卷,7655期)出版。最新的自然指数(nature index)表明,在过去15年中,材料科学(尤其是纳米材料等)领域已成为各国政策制定者的关注重点,大力投资材料科学也成为中国整体科技战略的重要组成部分。近年来,中国始终是在材料科学领域发表论文最多的国家,其背后是政府的大规模资金投入和大力引进人才。然而,材料科学家认为,需要将更多的资源投入到基础研究的转化中;应用科学家表示,如果没有足够的扶持,中国在材料研究商业化方面的努力将受阻。

        《中国未来的“蓝筹股”》(China's blue-chip future,第S54-S57页,DOI: doi:10.1038/545S54a)一文指出,今年2月,科技部对在其经费支持下所取得的研究成果予以宣传,其中包括一种铁基超导体、一种超强合金,以及由北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授团队所开发的栅极长度仅为5 nm的碳纳米晶体管。文中报道了彭练矛团队在碳纳米管晶体管集成电路研究中所取得的突破性进展,团队中一位研究生手捧碳基芯片的照片被选作刊物封面。这也是继2015年之后,该团队第二次被《中国自然指数》重点介绍。

                                    彭练矛团队成员手捧碳基芯片的照片被选作刊物封面

        今年1月,彭练矛团队所研发的栅极长5 nm的碳纳米管发表于《科学》期刊。在科技部、国家自然科学基金委员会、北京市科学技术委员会的支持下,他们始终致力于开发尺寸更小、速度更快、功耗更低的碳管半导体器件和集成电路,展现出碳管CMOS器件较硅基CMOS器件具有的明显优势和代表着“计算机处理器的未来”(the future of computer processing)的巨大潜力。彭练矛预言,在未来5~10年内,碳纳米管芯片将发展成熟,团队亟待与企业合作,以产业规模加以生产,毕竟“工程不是实验室的强项”。与此同时,他期待国家对应用研究加大政策扶持和经费支持,吸引大企业投资技术,加快纳米技术商业化的进程,早日将碳管器件开发成计算机芯片。

 

Advanced Functional Materials 
(魏贤龙特聘研究员课题组在微型电子发射阴极研究中取得重要研究进展)

 电子源被认为是真空电子器件的心脏,提供其工作所必需的自由电子束。微型电子源是指利用微加工方法在硅等衬底表面加工所得到的微小电子源或电子源阵列。研制高性能的微型电子源对于提高真空电子器件的性能、研发微纳真空电子器件具有重要的意义。自20世纪60年代微型电子源被提出,一直采用场发射的形式实现,但由于场发射对发射针尖原子结构的依赖性强,所需电场高,且针尖原子结构在强场下不稳定,所以场发射微型电子源存在单个电子源发射性能不可控、阵列均一性差、工作电压高、工作真空度要求高等问题,极大地限制了微纳真空电子器件的性能和应用。

最近,北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室“百人计划”特聘研究员魏贤龙与陈清教授、彭练矛教授合作,利用微加工的方法并采用石墨烯作为热发射材料首次实现了热发射电子源的微型化和阵列化,研制出发射性能可控、工作电压和真空度低、开关速度快、发射电流可调制的微型电子源。相比于场发射微型电子源不可控的发射性能,石墨烯热发射微型电子源的开启电压与石墨烯的尺寸具有特定的依赖关系,可以简便地控制其电子发射特性,即通过控制每个微型电子源具有相同的石墨烯尺寸,实现了发射性能均一的微型电子源阵列。此外,石墨烯热发射微型电子源只需约3 V电压即可开启,远低于场发射微型电子源的开启电压(至少几十伏);并能在10-3 Pa的真空下稳定工作,也远低于场发射微型电子源稳定工作时所需的真空度(<10-6 Pa)。相比于宏观热发射电子源存在的预热延迟,石墨烯热发射微型电子源的开关时间被证实小于1 μs,比宏观热发射电子源的开关时间小56个数量级;更重要的是,石墨烯热发射微型电子源的发射电流可通过栅电极实现高达6个数量级的调制,有望实现电子源阵列的栅控选址开关。与此同时,由于兼具宏观热发射电子源和微型场发射电子源的优点,石墨烯热发射微型电子源为解决当前场发射微型电子源所遇到的瓶颈,实现可实际应用的大规模可选址微型电子源阵列提供了一种新的途径,未来有望应用于X射线管、平板显示器、微波放大器等真空电子器件。信息学院博士研究生吴功涛为第一作者、魏贤龙为通讯作者的相关论文于2016510日在线发表在《自然•通讯》(Nature Communications, 2016: 11513, doi:10.1038/ncomms11513)上。该工作得到了科技部国家重点基础研究发展计划(“973计划”)、国家自然科学基金、全国优秀博士学位论文作者专项基金的支持。

魏贤龙研究员近年来致力于低维纳米材料电子发射及微纳真空电子器件的研究,取得一系列研究进展。他和合作者实验证实单体一维碳纳米材料在自身电流加热下的热电子发射不满足描述宏观材料热发射的Richardson公式(ACS Nano, 2012, 6, 705-711; Scientific Reports, 2014, 4: 5102),建立了非平衡条件下低维纳米材料电子发射的理论模型,发现一种的新电子发射机制(Nano Letters, 2011, 11(2): 734-739; Physical Review B, 2011, 84(19): 195462; AIP Advances, 2013, 3(4): 042130),并基于低维纳米材料电子源实现了高性能微纳真空三极管(Advanced Functional Materials, 2015, 25: 5972-5978)。

5×5石墨烯热发射微型电子源阵列的扫描电子显微镜照片及其电子发射示意图

 

Crystal phase- and orientation-dependent electrical transport properties of InAs nanowires 
(信息学院陈清教授课题组在纳米材料结构对纳米器件性能影响的研究中取得新进展)

 基于一维纳米材料(如纳米管、纳米线的纳米器件在电子、光电、传感、能源等众多领域有广泛的应用。由于纳米材料的结构(如晶相、直径、取向、手性和掺杂情况等)决定着该材料和相关器件的性能,所以认识结构与性能的关系是发展高性能材料及器件的基础。又由于纳米材料个体差异很大,且制备具有完全同样结构的纳米材料非常困难,因此,将纳米材料的结构与其性能相对应是挑战性很强的关键问题。

北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室陈清教授组长期从事纳米材料及其器件的性能与纳米材料结构之关系的研究,发展了在扫描电子显微镜(以下简称“扫描电镜”)中原位测量单根一维纳米材料物性的方法、原位搭建纳米器件并进行研究的方法,搭建了基于扫描电镜的对单个纳米材料进行多种性能综合测量的平台,研究了碳纳米管和砷化铟(InAs)纳米线的力学、电学和电机等特性与其结构的关系,已取得的一系列相关成果发表在《纳米快报》Nano Letters)、《先进材料》Advanced Materials和《先进功能材料》Advanced Functional Materials等领域权威期刊上。

最近,陈清课题组又发展出一种新方法,可在测量器件性能之后,把作为场效应晶体管(field effect transistor, FET)沟道的纳米线转移到透射电子显微镜中进行原子尺度的结构表征,从而成功实现了纳米器件的性能与其沟道纳米线结构的一一对应;采用该方法首次系统地研究了InAs纳米线的晶相(六方相或立方相)、轴向和直径如何对InAs纳米线FET的开关比、域值电压、亚域值摆幅和有效接触势垒高度等产生影响。该方法将可用于对其它纳米器件的性能影响因素的研究。她们对InAs纳米线FET的研究结果为发展高性能InAs纳米线器件奠定了重要基础。上述成果以《依赖于晶相和方向的InAs纳米线电输运特性》(Crystal phase- and orientation-dependent electrical transport properties of InAs nanowires)为题,于20163月下旬在线发表在《纳米快报》(DOI:10.1021/acs.nanolett.6b00045上;信息学院博士研究生付梦琦为第一作者,陈清为通讯作者。

这项研究得到了国家重大科学研究计划和国家自然科学基金的支持。

Assembling molecular Sierpiński triangle fractals 
(王永锋研究员卤键分形结构在Nature Chemistry上发表)

 

    分形结构因其特殊的数学和美学意义受到科学家们长期以来的广泛关注。化学家们更是试图利用共价键和配位键等来合成各类分子分形结构体,但由于受到合成方法的种种制约,始终无法实现高级别、无缺陷的系列分子分形结构的构筑。最近,北京大学信息科学技术学院物理电子学研究所王永锋研究员与北京大学化学与分子工程学院吴凯教授课题组及其他合作者协力合作,实现了谢尔宾斯基分形结构的分子组装,并利用超高真空低温扫描隧道显微镜对这些由分子间弱相互作用驱动形成的分子分形结构进行了亚分子水平的详细表征。这一研究成果于20155月以“Assembling molecular Sierpiński triangle fractals”为题正式发表于《自然-化学》杂志:Nature Chemistry2015, 7, 389-393。该论文同时被选为当期封面文章(下图)。该杂志还专门配发了美国Indiana大学化学系Steven L. Tait教授撰写的题为“Surface chemistry: Self-assembling Sierpiński triangles”的评论文章(Nature Chemistry20157370–371)。
    王永锋研究员及其合作者设计了一系列折线形、端基对位取代的二溴代多联苯分子作为组装前驱体,利用分子间协同的环形卤键和氢键作用,在Ag(111)表面成功构筑了一系列无缺陷的分子Sierpiński三角分形结构。这一系列分子分形结构符合Sierpiński三角分形结构的典型特征和递推迭代规律,表现出完美的自相似性,并且结构参数可以简洁地数学表达。

 

A graphene-based vacuum transistor with a high on/off current ratio 
(魏贤龙研究员关于石墨烯真空晶体管的研究结果在Advanced Functional Materials上发表)

 

 

    由于石墨烯的禁带宽度为零,以石墨烯为沟道的场效应晶体管的开关比不足一个量级,因此难以实现逻辑电路的应用。最近,北京大学信息科学技术学院物理电子所魏贤龙研究员和合作者提出了一种基于石墨烯的真空晶体管结构,并在实验上成功实现。该石墨烯真空晶体管的开关比可以达到106,且亚阈值斜率只有120 mV/dec,其开关性能优于之前文献中报道的基于石墨烯的固态晶体管。此外,石墨烯真空晶体管完全采用传统半导体的微纳加工技术进行加工,并可利用微纳加工技术进行集成。和传统固态器件相比,真空电子器件能够承受更高的温度和辐射,因此石墨烯真空晶体管有希望未来应用于外太空、核反应堆等高温高辐射的场合。这一研究成果于20158月以“A graphene-based vacuum transistor with a high on/off current ratio”为题在线发表在《Advanced Functional Materials》上。

Comparative Fracture Toughness of Multilayer Graphenes and Boronitrenes 
(魏贤龙研究员关于石墨烯和硼氮烯断裂韧性的研究结果在Nano Letters上发表)

 

    石墨烯广受关注的原因之一是它被实验测定是目前已知强度最大的材料,即具有最大的本征强度。但是,在实际应用中决定石墨烯有效强度的往往不是其本征强度,而是断裂韧性。相比于石墨烯的本征强度已被实验较好测定,由于样品制备和实验测量的困难,其断裂韧性的研究多限于理论模拟。最近,北京大学信息科学技术学院物理电子所魏贤龙研究员与北京大学工学院李法新研究员、日本国立材料研究所Dmitri Golberg教授合作,发展了一种透射电子显微镜中原位测定二维纳米材料断裂韧性的方法,成功测定了二维石墨烯和硼氮烯的断裂韧性分别为12.05.5 MPa m1/2,并建立了其断裂韧性与二维材料结构的关系。该研究除了给出石墨烯和硼氮烯这两种重要二维材料的断裂韧烯这一重要基本力学参数外,更提供了一种实验精确测定二维纳米材料断裂韧性的方法,还可应用于其他二维材料断裂韧性的测定。这一研究成果于20151月以“Comparative Fracture Toughness of Multilayer Graphenes and Boronitrenes”为题正式发表在《Nano Letters》上。

 

Remarkable and Crystal-Structure-Dependent Piezoelectric and Piezoresistive Effects of InAs Nanowires 
(陈清教授研究团队关于InAs纳米线压电和压阻特性的研究结果在Advanced Materials上发表)

    InAs纳米线是一种重要的III-V族直接窄带隙半导体纳米材料,在立式环栅场效应晶体管等纳米电子器件方面具有重要的应用前景。在立式环栅场效应晶体管等器件的加工和使用过程中,难免会在纳米线中引入应力,因此,研究应力对InAs纳米线电输运的影响对其在纳米器件中的应用具有重要意义。最近,北京大学信息科学与技术学院物理电子所陈清教授研究团队利用原位电子显微学的方法,研究了单根已知晶体结构的InAs纳米线在单轴拉伸应变下的电输运特性,并建立了其力电特性与其晶体结构的关系,发现纤锌矿<0001>方向生长的单晶纳米线的电导会随应变的增加而显著增大,电流响应的量规因子可达2800,而纤锌矿<11-20>、闪锌矿<011><103><-2-11>方向生长的单晶纳米线不具有力电响应。进一步研究发现,纤锌矿<0001>方向生长的单晶纳米线的显著力电响应是由于其具有显著的压电和压阻特性。该研究除了揭示了InAs纳米线的力电特性及其与纳米线结构的关系外,更表明InAs纳米线是一种新的压电和压阻材料,在纳米传感器、压电电子学和压电光电子器件等领域具有重要的应用前景。这一研究成果于20153月以“Remarkable and Crystal-Structure-Dependent Piezoelectric and Piezoresistive Effects of InAs Nanowires”为题正式发表在《Advanced Materials》上。

CMOS-based carbon nanotube pass-transistor logic integrated circuits 
(彭练矛教授研究团队碳纳米管集成电路最新成果在Nature Communications上发表)

 

北京大学信息科学技术学院电子学系、纳米器件物理与化学教育部重点实验室丁力博士和张志勇副教授作为共同第一作者所撰写的研究论文CMOS-based carbon nanotube pass-transistor logic integrated circuits,于2012214在《自然》子刊《自然•通讯》(Nature communications, 2012, 3, No.677, DOI:10.1038/ncomms1682)上全文发表(http://www.nature.com/ncomms/journal/v3/n2/full/ncomms1682.html)。该文章报道了彭练矛教授研究团队在碳纳米管集成电路领域取得的重要进展。化学与分子工程学院李彦教授和美国杜克大学刘杰教授为该研究工作提供了碳纳米管材料。
在大量前期工作的基础上,丁力和张志勇率先在碳管电路设计方面进行探索,找到了能够充分发挥碳纳米管器件性能特点的电路构建方式——传输晶体管逻辑(PTL)电路。他们通过自主开发的无掺杂技术在碳管上制备出高性能的CMOS器件,并采用PTL方式构建电路,大大提高单个晶体管的效率,从而简化电路设计。在单根碳纳米管上制备出“与”、“或”、“异或”等基本逻辑门电路,并构建出全加器、编码/译码电路以及D锁存器电路,使得碳管集成电路的规模和功能直接面向CPU中的核心部件——逻辑运算单元,并且电路可以工作在低达0.4 V的电压下,从而相对于硅基技术显示出明显的低功耗优势。
 
 
基于单根碳纳米管构建的全加器电路
该工作为碳管规模集成电路找到一种实现方式,在单根碳管集成电路规模和功能方面取得巨大突破,为进一步探索碳纳米管在电路方面的潜力提供了研究平台,将成为碳基电子学发展中的一个重要的里程碑。
碳纳米管晶体管被认为是有可能补充甚至取代硅基CMOS器件、延续摩尔定律的未来信息处理元件。经过近十年持之以恒的探索,彭练矛教授研究团队解决了碳基电子学领域内一系列关键问题,包括碳管器件n型欧姆接触的实现、性能接近理论极限的n型自对准顶栅器件、适合碳基材料的高k栅介质材料、无掺杂高性能碳纳米管CMOS集成技术等等,从2007年起,研究成果陆续发表在《纳米快报》(Nano Letters)、《美国化学学会纳米》(ACS Nano)、《先进材料》(Advanced Materials)、《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)等顶级期刊上。

 

CNT-LED 
(高性能碳管发光二极管(CNT-LED))

 

        纳米尺度的光源是当前纳米光电器件研究的一个重要目标,也是纳米尺度光电集成的一个关键组成单元。基于碳纳米管的发光器件,先前的研究主要是基于场效应晶体管(FET)的器件结构,需要偏压和栅压同时调制,工作电压较高(~10V),且不能较好实现电子和空穴高效注入,发光效率低。如何通过设计加工简单的器件结构,实现高效率的碳管发光器件一直是该领域的一个重大挑战。

        我们采用简单的非对称接触电极制备的碳管二极管(CNT-LED),是首个真正意义上的两端发光二极管器件。在碳纳米管的两端分别采用钯和钪作为接触电极,分别实现电子和空穴的高效注入,获得高效率的碳管发光二极管器件。并且工作电压相对FET器件低(仅需2V偏压)。发光的波长由碳管的直径决定,直径1.14nm碳管对应的波长约为1340nm,属于光通讯常用的红外波段。发光光谱的半峰宽较窄,仅为30meV,对应的是碳管的激子发光特性。更为重要的是,这种碳管LED的加工工艺,与碳管的CMOS器件工艺完全兼容,使得将来的碳管的逻辑电路和光电器件一体化集成成为可能。该工作发表在2011年1月份的Nano Letters上(Sheng Wang, et. al., Nano Lett. 11, 23-29 )。

该工作同时被Nature出版集团下属的 Asia Materials 网站选为亮点文章重点报道:http://www.natureasia.com/asia-materials/highlight.php?id=859


(小禁带碳纳米管的双极型晶体管的大信号工作:高性能倍频器)

          从场效应特性来分,碳纳米管(包括单壁和多壁)可以分为典型的半导体型(开关比大于100)、金属型(开关比接近于1)和小禁带型(SBG CNT,开关比在1-100之间)。众所周知,半导体碳管用于制备高性能晶体管,金属型碳管可以用做集成电路中的互连线,而SBG CNT一直没有找到明确的用途。研究发现,SBG CNT具有两个特征,一是双极性非常明显,而是载流子迁移率非常高,基于此特点,我们认为,可以将这种碳管用来制备高频模拟电路。

王振兴等人在一根直径为4纳米的SBG CNT上制备了场效应晶体管(FET),该晶体管显示出明显的双极性输运性能,而且根据场效应提取的电子和空穴迁移率分别高达18,300cm2/V.s 和8,300cm2/V.s,通过采用自对准结构并且结合ALD生长的HfO2作为栅介质,大大提高了器件跨导和双极对称性,首次制备了n型和p型分支完全对称的双极型晶体管,针对这种双极输运特性,成功展示了该器件在大信号模式下可以作为一个性能完美的倍频器电路,并且得益于完美对称的双极性输运特性,该倍频器输出信号中有95%以上集中在输入信号的二倍频,远远高于传统的倍频器电路,而且该倍频器电路的增益达到0.15,为目前碳基倍频器中最高的。这项工作展示了碳纳米管在高频集成电路的应用方面具有极大的潜力,详细内容参见Nanoletters 10,3648-3655 (2010).

 


(Y2O3—碳基纳米电子学中理想的栅介质材料)

碳基器件的特殊性在于碳纳米管和石墨烯材料其表面的化学活性都不太强,这保证了碳基器件的稳定性,但给高效栅介质材料的生长带来了很大的困难。因此在碳基材料上生长高质量的栅介质层,是发展高性能碳基纳米电子学的一个重要的前提,也是该领域是一个重要的挑战。

在先前的研究中,我们已经发现金属Y与碳管/石墨烯均有着很好的浸润性(NanoLett. 9, 4209),基于此特性,王振兴等人先利用电子束蒸发在碳基材料上生长金属Y薄膜,再通过高温氧化,得到了k值约为8的高质量的连续的Y2O3介质薄膜。集成了这种栅介质的碳管场效应晶体管器件的亚阈值摆幅达到室温下的理论极限-60mV/dec,而采用这种栅介质的石墨烯晶体管,则不仅具有目前最高的顶栅/底栅效率比(大于100)和最大的单位面积栅电容(约1200nF/cm2),而且对器件的电流、载流子迁移率的损害程度都小于10%。该器件具有几乎完美对称的双极性和超高的单位面积跨导,这使得石墨烯器件在高频应用方面极具优势。这种简单工艺生长的Y2O2薄膜,是目前能够找到的构建碳基器件的最理想的栅介质材料。该结果发表在2010年六月份的Nano Lett.(NanoLett. 10, 2024 )


(性能几乎完美对称的顶栅CNT CMOS器件和电路)

互补型金属氧化物半导体场效应晶体管(CMOSFET)是目前硅基超大规模集成电路的主要构建方式和模块,也将是发展高性能碳管电路的必要构建方式,完美的CMOS电路结构中,要求电子型(n)和空穴型(p)型晶体管的性能完美对称,但是由于主要的半导体材料(包括硅、锗和III-V族半导体)能带中,导带和价带的不对称,这种完美对称从来没有真正实现过,n型器件的性能优于p型器件,因此CMOS电路的性能受制于pMOS器件,从而无法达到最佳。

碳纳米管的导带和价带几乎完全对称,因此电子和空穴具有完全相同的高迁移率,由此我们可以在半导体碳管上实现性能完美对称CMOS器件和电路。

张志勇等人在工艺上彻底解决了p-FETn-FET兼容的问题,开发并且优化了高性能自对准顶栅的SWCNT CMOS的工艺,得到了性能完美对称的SWCNT CMOS器件和电路。详细统计了多对CMOS器件,通过比较七个主要的器件参数,确定pFETnFET的性能完全对称,而且室温下电子和空穴的迁移率都超过了3000cm2/V.s,由它们组成的反相器增益高达160,是目前碳管电路的最高水平,该反相器具有完美的逻辑0态和1态,这意味其在超低功耗方面具有极大的优势。这项工作为今后发展高速低功耗的碳管CMOS规模集成电路扫清了集成技术方面的主要障碍,相关工作发表在200911月份的ACS Nano Vol.3 pp3781-3787,2009)。

 

Towards entire-carbon-nanotube circuits: the fabrication of single walled carbon nanotube field effect transistors with local multiwalled carbon nanotube interconnects 
(迈向全碳纳米管电路:多壁碳纳米管为互连线的单壁碳纳米管场效应晶体管的制备)

当前集成电路的结构是建立在硅基CMOS技术之上的多层布线结构,目前采用的Cu互连线可达9层之多。如何制备性能更高尺寸更小的晶体管以及如何提高互连线的性能成为当前集成电路技术发展的两大挑战。梁学磊等提出利用单壁碳纳米管为沟道,利用多壁碳纳米管为互连线,成功制备出了全碳纳米管晶体管和CMOS单元器件,向人们展示了制备全碳纳米电路的可能性。这一设想有可能解决目前硅基集成电路技术遇到的困难。详情请见Advanced Materials, 21: 1339 (2009)

 
(插图说明)梁学磊等提出的全碳纳米管电路设想:单壁碳纳米管为沟道(最底层),多壁碳纳米管为互连线(通孔互连以及第二、第三……)。沟道的极性(p- or n-type)由接触处不同金属的功函数决定(最底层的黄色和绿色部分)。小插图作为对比给出Intel 45nm 逻辑技术:High-k + Metal Gate Transistors, Strained Silicon, 9 Cu Interconnect Layers.

Integrated nano-characterization system for device purposes 
(纳米材料和器件的一体化测试系统)

 通过在扫描电子显微镜中把纳米探针技术和光纤探针结合,李成垚和高旻等构建了一个集显微结构观察、化学成分探测、纳米操纵和组装、电学测量、光激发和光探测于一体的原位综合测试系统。文章发表于Nanotechnology 20(2009) 175703。文章介绍了这一系统的原理及其应用,例如原位组建并测试基于单根一维纳米结构的功能元件以用于原型器件的设计和选取具有优异性能的纳米材料。Nanotechweb有专文介绍此项工作(http://nanotechweb.org/cws/article/lab/39259)。目前他们仍在优化这一系统并扩展其功能,欢迎有兴趣的同学加入。

 

Beam to string transition of vibrating carbon nanotubes under axial tension 
(轴向拉力作用下振动的碳纳米管由梁转变为弦)

想象过“弹奏”一根纳米管吗?由于直径很小、轴向硬度很高,碳纳米管可以作为很细、且强度很高的弦用于各种场合(见左图)。实际上,基于碳纳米管的各种先进的振动式纳机电器件,例如超高频可调谐谐振器、纳米收音机、具有原子质量分辨率的质量传感器等,都已有报道。但是,对于碳纳米管,特别是只有单个原子层的单壁碳纳米管,还有许多问题不清楚:比如,碳纳米管的振动是否还能用宏观连续模型描述?碳纳米管受轴向拉力时的振动满足什么规律等等?这些问题的回答对于我们理解低维系统和促进碳纳米管的应用都有重要意义。

 
魏贤龙等结合扫描电子显微镜的纳米探针系统,像弹奏古筝一样去弹奏一根碳纳米管(见上图)。他们通过改变碳纳米管的长度和轴向拉力改变振动频率,定量研究了单根碳纳米管在轴向拉力下的振动规律。研究发现,碳纳米管的振动仍可被宏观连续模型很好地描述。从多壁到单壁碳纳米管,振动逐渐由梁转变为弦,并且振动频率对轴向拉力具有很高的灵敏度(所测灵敏度可高达0.25 MHz/pN)。这表明碳纳米管谐振器在应力、应变、压强等力学量的测量方面具有良好应用前景。文章作为杂志的内封面发表于Advanced Functional Materials 19 (2009) 1573,并被作为重要发现提前公布在杂志的Advances in Advance网页上。
 

Self-aligned ballistic n-type single walled carbon nanotube field-effect transistors with adjustable threshold voltage 
(阈值可调的自对准弹道n型单壁碳管场效应晶体管)

如何更进一步改善碳纳米管FET器件的性能和提高器件成品率?张志勇等针对一维纳米材料独特的几何特征,发展了一种全新的自对准加工技术,不但使进一步缩小碳管FET尺寸成为可能,而且,该结构还可以改变金属栅材料找于设计更复杂的集成电路。基于这种结构制备的栅长为90纳米的n型SWNT FET的性能为目前世界上最高水平。特别是,最小本征门延迟达到了0.86ps,表明晶体管具备了工作在THz频率的潜力。详情请见Nano Letters, 8(2008)3696。2009年1月,Nature Asia-Pacific作为研究热点专文介绍了此项工作。见http://www.natureasia.com/asia-materials/highlight.php?id=366

 

Nanoknife precisely cuts and sharpens carbon nanotubes 
(准确切割和削尖碳纳米管的纳米刀)

在纳米尺度上如何准确快速地切割和削尖纳米材料是很有挑战性的问题,这一问题对碳纳米管在场发射针尖和扫描探针显微镜针尖方面的应用至关重要,对其它纳米材料的很多应用也有重要的意义。魏贤龙等结合扫描电子显微镜里的纳米探针系统,发现一根与金属接触很好的短碳纳米管可以用作“纳米刀”来切割或削尖碳纳米管或其它的纳米管或纳米线,还可用这一技术构建复杂的纳米互连结构。该文作为封面文章发表在Nanotechnology, 18 (2007) 185503上,随即被Nature China网站、Nature Nanotechnology杂志和Small杂志当作研究亮点专文介绍。

 

 

 

 

Nanostructures: performing observation, manipulation and measurements at the same time 
(透射电镜中纳米结构原位加工、操纵和物性实时测量)

与块体材料不同,纳米材料的物性与其结构和形貌密切相关,因此能够在“看到”纳米材料的同时“知道”纳米材料的物性,对系统研究纳米材料结构和物性的关系,进一步发展基于纳米材料的器件具有重要意义。作为国际上最早开展透射电镜中纳米材料原位测量的小组之一,我们系统发展和完善了在透射电镜中进行纳米结构的原位加工、操纵和物性实时测量的一系列方法。其中,原位操纵碳纳米管、将其裁切后焊接成特定形状、同时又保持了其优异的电学和力学性能的工作,被作为封面文章发表在Advanced Functional Materials 15 (2005) 1825上