Science：研究人员利用电子显微镜把纳米管变成微型晶体管

诸平

A designer view of a single-wall carbon nanotube intramolecular junction with metallic portions on left and right ends and a semiconductor ultrashort ~3,0 nm channel in between. Credit: National University of Science and Technology, Moscow

据澳大利亚昆士兰科技大学（Queensland University of Technology简称QUT）2021年12月23日报道，一个国际研究小组将一种独特的工具插入电子显微镜中，制造出了一个比人类头发宽度还小2.5万倍的晶体管（Researchers use electron microscope to turn nanotube into tiny transistor）。这项研究于2021年12月23日已经在《科学》(Science)杂志网站上发表——Dai-Ming Tang, Sergey V. Erohin, Dmitry G. Kvashnin, Victor A. Demin, Ovidiu Cretu, Song Jiang, Lili Zhang, Peng-Xiang Hou, Guohai Chen, Don N. Futaba, Yongjia Zheng, Rong Xiang, Xin Zhou, Feng-Chun Hsia, Naoyuki Kawamoto, Masanori Mitome, Yoshihiro Nemoto, Fumihiko Uesugi, Masaki Takeguchi, Shigeo Maruyama, Hui-Ming Cheng, Yoshio Bando, Chang Liu, Pavel B. Sorokin, Dmitri Golberg. Semiconductor nanochannels in metallic carbon nanotubes by thermomechanical chirality alteration. Science, 23 Dec 2021 , 374(6575): 1616-1620. DOI: 10.1126/science.abi8884. http://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8884. 来自日本、中国、俄罗斯和澳大利亚的研究人员参与了这项始于五年前的项目。

QUT材料科学中心(QUT Center for Materials Science)的联合主任德米特里·戈登伯格（Dmitri Golberg）教授领导了此研究项目，他说，这一结果是一个“非常有趣的基础发现”，它可能会为未来几代先进计算设备的微型晶体管（tiny transistors）的发展开辟一条道路。德米特里·戈登伯格教授说：“在这项工作中，我们已经证明了控制单个碳纳米管的电子性质是可能的。”

研究人员通过同时施加一个力和低电压，加热由几层组成的碳纳米管，直到外层管壳分离，只留下一层纳米管，从而创造出了这种微型晶体管。

然后，热量和应变改变了纳米管的“手性（chilarity）”，这意味着碳原子（carbon atoms）连接在一起形成纳米管壁单原子层的模式被重新排列。连接碳原子的新结构的结果是纳米管变成了晶体管。德米特里·戈登伯格教授的团队成员来自莫斯科国立科技大学（National University of Science and Technology in Moscow），他们创建了一个理论来解释在此晶体管中观察到的原子结构和性质的变化。

来自日本纳米建筑材料国际中心（International Center for Materials Nanoarchitectonics in Japan）的第一作者唐岱明（Dai-Ming Tang音译）博士说，这项研究已经证明了通过操纵纳米管的分子性质来制造纳米级电子设备的能力。唐岱明博士五年前开始从事这个项目，当时德米特里·戈登伯格教授是该中心研究小组的负责人。

唐岱明博士说：“在除硅微处理器之外，碳纳米管（carbon nanotubes）半导体在制造节能纳米晶体管方面很有前途。然而，控制单个碳纳米管的手性仍然是一个巨大的挑战，它独特地决定了原子的几何形状和电子结构。在这项工作中，我们通过加热和机械应变改变金属纳米管段的局部手性，设计和制造了碳纳米管分子内晶体管（carbon nanotube intramolecular transistors）。”

德米特里·戈登伯格教授说，这项研究展示了创造微型晶体管的基础科学，这是迈向制造除硅微处理器之外很有希望的一步。用于转换和放大电子信号的晶体管，通常被称为包括计算机在内的所有电子设备的“构建模块（building blocks）”。例如，苹果公司表示，未来iPhone的芯片包含150亿个晶体管。几十年来，计算机行业一直专注于开发越来越小的晶体管，但面临着硅的局限性。

近年来，研究人员在开发纳米晶体管方面已经取得了重大进展。纳米晶体管非常小，数以百万计的纳米晶体管可以装在一个大头针的尖端部。

德米特里·戈登伯格教授说：“晶体管小型化到纳米级是现代半导体产业和纳米技术的一大挑战。目前的发现，虽然不适合大规模生产微型晶体管，但显示了一种新的制造原理，并开辟了一个新领域，使用热机械处理纳米管可获得具有所需特性的最小晶体管。”

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Carbon nanotubes could help electronics withstand outer space's harsh conditions

Straining to make a transistor

The use of carbon nanotubes (CNTs) as short-channel-length transistors will require control of their chirality, which determines whether they are semiconducting or metallic and if they form strong, low-resistance contacts. Tanget al. fabricated CNT intramolecular transistors by progressive heating and straining of individual CNTs within a transmission electron microscope. Changes to chirality along sections of the nanotube created metallic-to-semiconducting transitions. A semiconducting nanotube channel was covalently bonded to the metallic nanotube source and drain regions. The resulting CNT intramolecular transistors had channel lengths as short as 2.8 nanometers. —PDS

Abstract

Carbon nanotubes have a helical structure wherein the chirality determines whether they are metallic or semiconducting. Using in situ transmission electron microscopy, we applied heating and mechanical strain to alter the local chirality and thereby control the electronic properties of individual single-wall carbon nanotubes. A transition trend toward a larger chiral angle region was observed and explained in terms of orientation-dependent dislocation formation energy. A controlled metal-to-semiconductor transition was realized to create nanotube transistors with a semiconducting nanotube channel covalently bonded between a metallic nanotube source and drain. Additionally, quantum transport at room temperature was demonstrated for the fabricated nanotube transistors with a channel length as short as 2.8 nanometers.