碳纳米管 (CNT)(1)是一种由单层石墨烯制成的一维材料，完全由卷成螺旋形状的碳原子组成。其螺旋结构(手性也称为)(2)，碳纳米管的行为类似于金属或半导体。半导体碳纳米管有望用于生产节能纳米晶体管 (科学355, 271 (2017))，据说这导致了超越当前硅的微处理器的构造 (自然572, 595 (2019))。然而，如何通过改变单个碳纳米管的手性来控制电性能（金属导电性或半导体导电性）仍然是一个重大挑战。
另一方面，理论上提出金属碳纳米管和半导体碳纳米管之间的分子结可以用作纳米级电子器件的元件。应用物理快报72, 918 (1998))。据报道，纠正了分子内 CNT 结处的输运特性，这是由于生长过程中随机形成的缺陷造成的 (自然402, 273 (1999))。此外，在过去的实验中，曾有报道称碳纳米管的手性因塑性变形而发生变化，但碳纳米管的变形和电性能并未受到控制（自然 439, 281 (2006)、超声显微镜194, 108 (2018))。因此，人们强烈希望开发能够同时实现单个碳纳米管的高精度操纵、原子分辨率观察以及纳米晶体管制造和测量的技术。
这次，联合研究团队采用独特的原位透射电子显微镜（TEM）方法，通过局部改变碳纳米管的手性来控制碳纳米管的电学特性，成功创建和测量了碳纳米管分子内晶体管的技术。
在这项研究中，我们开发了一种精密纳米操控技术，使用双探针压电驱动支架，这是一种配备两个探针的特殊支架，可以在 TEM 内的三个维度上独立操作。在TEM观察下，我们寻找从金属电极边缘突出的单个碳纳米管，将纳米尖端靠近它们，并通过加热（焦耳热）和拉伸应变使碳纳米管发生塑性变形，从而在中间热点处引起局部手性变化。我们使用电子衍射图案和通过球面像差 (Cs) 校正 TEM 获得的原子分辨 TEM 图像分析了这种变化，并发现了螺旋角增加的趋势。
也是交联的 CNT频道(3)，我们通过布置一个悬浮晶体管，将固定电极作为源电极，一个纳米尖端作为漏电极，另一个纳米尖端作为栅电极，测量了 TEM 中 CNT 的电传输特性（图 1a）。利用该电学测量结果作为反馈信号，我们能够通过反复调节热量和应力来控制从金属碳纳米管到半导体碳纳米管的转变，从而成功制造出碳纳米管分子内晶体管。结果，他们发现，随着CNT的直径不断减小，引起漏极电流流动所需的栅极电压增大，并且CNT的带隙与CNT的直径成反比。
在本研究中，直径约为 06纳米(4)，我们制作了沟道长度约为28 nm的CNT晶体管，实验条件为驱动电压05 V，导通电流074 μA（电流密度为 1233 μA/μm(5))，关断电流为02nA，开/关比为3700。此外，亚阈值摆幅 (SS)(6)SS值为133 V/dec，优于之前报道的悬浮晶体管（沟道长度为30 nm，SS值为49 V/dec）（图1b-c）。
由于手性改变的CNT通道的长度处于纳米尺度，因此认为量子力学限制效应不仅发生在圆周方向，而且发生在轴向。在沟道长度约为8 nm的CNT晶体管中，栅极电压-漏极电流特性为法布里-佩罗干涉(7)也被观察到。在室温下观察到的碳纳米管量子干涉可能是由于短片段中的大能隙导致手性变化以及共价键合纳米管结处的电子散射减少。
图1 CNT分子内晶体管示意图(a)、透射电子显微镜图像(b)和电流-电压特性(c)
根据这项研究的结果，我们正在进行研究，以实现利用碳纳米管手性的开创性电子设备。未来，我们将研究实用的原子精度材料结构，旨在设计和制造单分子、单原子级的电子和量子功能器件。
标题：通过热机械手性改变实现金属碳纳米管中的半导体纳米通道
作者：Dai-Ming Tang、Sergey V Erohin、Dmitry G Kvashnin、Victor A Demin、Ovidiu Cretu、Song Jiang、Lili 张、Peng-Xiang Hou、陈国海、Don N Futaba、郑永嘉、Rong Hong、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
杂志：科学
发布日期和时间：2021 年 12 月 24 日