顆粒在線訊：如果半導體碳納米管可以排列成密集的陣列，那么它們有望比場效應晶體管(FETs)中的Si具有更快的性能和更低的功耗。在此，來自美國威斯康星大學麥迪遜分校的MICHAEL S.ARNOLD等研究者，證明了在液/液界面收集的納米管，可自組織形成二維(2D)向列液晶，與流體對齊。實現了用于晶圓級電子設備的對齊二維碳納米管液晶。相關研究人員稱利用這項新技術可以實現在工業(yè)規(guī)模中實現碳納米管的高度排列，填補了碳納米管界近30年來存在的空白。相關論文以題為“Aligned 2D carbon nanotube liquid crystals for wafer-scale electronics”發(fā)表在Science Advances上。

隨著場效應晶體管(FETs)不斷縮小，傳統(tǒng)半導體器件的節(jié)點縮放變得越來越困難，因此，必須研究其他的下一代材料了。碳納米管是一種候選材料，預計在功率效率、靜電門控制和開關速度方面優(yōu)于傳統(tǒng)半導體，但只有當組織成整齊的陣列時。此外，可以通過溶液或其他低溫方法沉積的對齊陣列，可能會打開三維(3D)集成電路的大門，以增加FET的面積密度。

利用溶液法制備納米管陣列和其他各向異性粒子的方法，例如：使用剪切真空過濾、定向蒸發(fā)、介電電泳、蒸發(fā)自組裝、彈性釋放、尺寸限制自對準、DNA定向組裝、Langmuir-Blodgett和Langmuir-Schaefer等，前人都進行了研究。然而，在這些方法在滿足半導體電子工業(yè)的需要之前，還需要進行更多的研究。例如，需要特別大的剪切速率來實現納米管薄膜的沉積，即使是相對較差的準對齊的塊狀墨水溶液，蒸發(fā)自組裝是一個緩慢的過程，導致密集的納米管咖啡環(huán)，很難進行有效的靜電柵極。除了對齊之外，尤其重要的是實現晶圓尺度上的均勻性，以及在中間納米管填充密度約為100 μm-1的情況下實現部分單層覆蓋。

廣泛地說，納米粒子在溶液中在液體界面上的自組裝，為制備超分子和二維納米結構提供了一條有吸引力的途徑。這種組裝是高度動態(tài)的，能夠快速糾正缺陷，而不是直接在基片上組裝和沉積。納米粒子在液/液界面的吸附會使液/液界面能最小化，納米粒子的大小、界面張力和粒子表面潤濕性都會影響界面吸附。當各向異性粒子(如棒狀粒子)聚集在液/液界面時，就會形成液晶向列組合。

在此，研究者證明了在液/液界面收集的單壁碳納米管，可以形成二維向列液晶組件，為獲取高性能電子所需的納米管陣列屬性提供了一條途徑。在連續(xù)的過程中，二維液晶被轉移到基片上，產生排列在±6°內的密集納米管陣列，這是電子學的理想選擇。由于底層的液晶現象，納米管的有序度隨濃度的增加和溫度的降低而提高。傳輸組件的良好對齊和均勻性，使FETs具有異常的通態(tài)電流密度，在僅0.6 V時平均為520 μA μm?1，變化僅19%。帶有離子凝膠頂門的場效應晶體管，表現出低至60 mV 10-1的亞閾值擺動。與此同時，研究者實現了在10厘米襯底上的沉積，證明了二維納米管液晶用于商業(yè)半導體電子的前景。

圖1 TaFISA二維液晶界面組裝實驗裝置。

圖2 流動對TaFISA對準的影響，以及在10厘米寬的SiO2/Si晶片上TaFISA對準的演示。

圖3 量化流量對TaFISA排序的影響。

圖4 濃度和溫度對TaFISA的影響。

圖5 基于FESA和TaFISA碳納米管陣列的FETs電荷傳輸測量。

圖6 FESA和TaFISA碳納米管陣列的背門控電荷輸運測量與陣列形貌相關。

綜上所述，這些結果表明，碳納米管收集和限制在二維液/液界面，通過液晶現象自組織，并與流動整體對齊。由此產生的納米管組件可以轉移并沉積到基片上，以創(chuàng)建具有特殊局部對齊(±6°)的晶圓級陣列。