《Science》子刊：填补近30年空白！实现晶圆级2D碳纳米管液晶​

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如果半导体碳纳米管可以排列成密集的阵列，那么它们有望比场效应晶体管(FETs)中的Si具有更快的性能和更低的功耗。

在此，来自美国威斯康星大学麦迪逊分校的MICHAEL S.ARNOLD等研究者，证明了在液/液界面收集的纳米管，可自组织形成二维(2D)向列液晶，与流体对齐。实现了用于晶圆级电子设备的对齐二维碳纳米管液晶。相关研究人员称利用这项新技术可以实现在工业规模中实现碳纳米管的高度排列，填补了碳纳米管界近30年来存在的空白。相关论文以题为“Aligned 2D carbon nanotube liquid crystals for wafer-scale electronics”发表在Science Advances上。

论文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abh0640

随着场效应晶体管(FETs)不断缩小，传统半导体器件的节点缩放变得越来越困难，因此，必须研究其他的下一代材料了。碳纳米管是一种候选材料，预计在功率效率、静电门控制和开关速度方面优于传统半导体，但只有当组织成整齐的阵列时。此外，可以通过溶液或其他低温方法沉积的对齐阵列，可能会打开三维(3D)集成电路的大门，以增加FET的面积密度。

利用溶液法制备纳米管阵列和其他各向异性粒子的方法，例如：使用剪切真空过滤、定向蒸发、介电电泳、蒸发自组装、弹性释放、尺寸限制自对准、DNA定向组装、Langmuir-Blodgett和Langmuir-Schaefer等，前人都进行了研究。然而，在这些方法在满足半导体电子工业的需要之前，还需要进行更多的研究。例如，需要特别大的剪切速率来实现纳米管薄膜的沉积，即使是相对较差的准对齐的块状墨水溶液，蒸发自组装是一个缓慢的过程，导致密集的纳米管咖啡环，很难进行有效的静电栅极。除了对齐之外，尤其重要的是实现晶圆尺度上的均匀性，以及在中间纳米管填充密度约为100 μm^-1的情况下实现部分单层覆盖。

广泛地说，纳米粒子在溶液中在液体界面上的自组装，为制备超分子和二维纳米结构提供了一条有吸引力的途径。这种组装是高度动态的，能够快速纠正缺陷，而不是直接在基片上组装和沉积。纳米粒子在液/液界面的吸附会使液/液界面能最小化，纳米粒子的大小、界面张力和粒子表面润湿性都会影响界面吸附。当各向异性粒子(如棒状粒子)聚集在液/液界面时，就会形成液晶向列组合。

在此，研究者证明了在液/液界面收集的单壁碳纳米管，可以形成二维向列液晶组件，为获取高性能电子所需的纳米管阵列属性提供了一条途径。在连续的过程中，二维液晶被转移到基片上，产生排列在±6°内的密集纳米管阵列，这是电子学的理想选择。由于底层的液晶现象，纳米管的有序度随浓度的增加和温度的降低而提高。传输组件的良好对齐和均匀性，使FETs具有异常的通态电流密度，在仅0.6 V时平均为520 μA μm⁻¹，变化仅19%。带有离子凝胶顶门的场效应晶体管，表现出低至60 mV 10^-1的亚阈值摆动。与此同时，研究者实现了在10厘米衬底上的沉积，证明了二维纳米管液晶用于商业半导体电子的前景。

图1 TaFISA二维液晶界面组装实验装置。

图2 流动对TaFISA对准的影响，以及在10厘米宽的SiO₂/Si晶片上TaFISA对准的演示。

图3 量化流量对TaFISA排序的影响。

图4 浓度和温度对TaFISA的影响。

图5 基于FESA和TaFISA碳纳米管阵列的FETs电荷传输测量。

图6 FESA和TaFISA碳纳米管阵列的背门控电荷输运测量与阵列形貌相关。

综上所述，这些结果表明，碳纳米管收集和限制在二维液/液界面，通过液晶现象自组织，并与流动整体对齐。由此产生的纳米管组件可以转移并沉积到基片上，以创建具有特殊局部对齐(±6°)的晶圆级阵列。（文：水生）