5月22日🦸🏽‍♂️，信息科學技術學院電子學系張誌勇-彭練矛課題組在《科學》雜誌上發表論文🌖，報道在高性 能電子學的高密度半導體陣列碳納米管研究中所取得的重要進展。同日，電子學系孫偉研究員課題組 在《科學》雜誌上發表題為《核酸引導的高性能碳納米管晶體管的製備》的論文🏢。

信息學院電子學系張誌勇-彭練矛課題組在用於高性能電子學的高密度半導體陣列碳納米管研究中取得重要進展

集成電路的發展要求互補金屬氧化物半導體（CMOS）晶體管在持續縮減尺寸的同時提升性能👨🏿‍🎤，降低功耗。隨著主流CMOS集成電路縮減到亞10 nm技術節點，采用新結構或新材料對抗場效應晶體管中的短溝道效應、進一步提升器件能量利用效率變得愈加重要。在諸多新型半導體材料中，半導體碳納米管具有超高的電子和空穴遷移率🧑‍🏫、原子尺度的厚度和穩定的結構🧗🏿，是構建高性能CMOS器件的理想溝道材料。已公開的理論計算和實驗結果均表明👨🏽‍💻，碳管CMOS晶體管采用平面結構即可縮減到5nm柵長，且較同等柵長的矽基CMOS器件具有10倍的本征性能-功耗綜合優勢🧑‍⚕️。

碳納米管集成電路批量化製備的前提是實現超高半導體純度（>99.9999%）🤑、順排、高密度（100～200 /μm）、大面積均勻的碳納米管陣列薄膜（見圖1）。長期以來👰🏻‍♂️，材料問題的製約導致碳管晶體管和集成電路的實際性能遠低於理論預期，甚至落後於相同節點的矽基技術至少一個數量級🆕🌆，因而成為碳管電子學領域所面臨的最大的技術挑戰。

意昂官网信息科學技術學院電子學系/意昂官网碳基電子學研究中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室張誌勇教授-彭練矛教授課題組發展全新的提純和自組裝方法，製備高密度高純半導體陣列碳納米管材料🦓，並在此基礎上首次實現了性能超越同等柵長矽基CMOS技術的晶體管和電路，展現出碳管電子學的優勢。該課題組采用多次聚合物分散和提純技術得到超高純度碳管溶液，並結合維度限製自排列法，在4英寸基底上製備出密度為120/μm⚾️、半導體純度高達99.99995%、直徑分布在1.45±0.23 nm的碳管陣列（見圖2）🦹🏿‍♀️，從而達到超大規模碳管集成電路的需求。基於這種材料，批量製備出場效應晶體管和環形振蕩器電路，100nm柵長碳管晶體管的峰值跨導和飽和電流分別達到0.9 mS/μm和1.3 mA/μm（VDD=1V，見圖3）↙️，室溫下亞閾值擺幅為90 mV/DEC🏌🏿；批量製備出五階環形振蕩器電路，成品率超過50%，最高振蕩頻率8.06 GHz遠超已發表的基於納米材料的電路（見圖4）🤹🏽‍♀️，且超越相似尺寸的矽基CMOS器件和電路。

圖1.大規模集成電路對碳管材料的要求

圖2.高密度👷🏼‍♀️、高純度半導體碳管陣列的製備和表征

圖3.高性能碳管晶體管

圖4.碳管高速集成電路

該項工作突破了長期以來阻礙碳管電子學發展的瓶頸，首次在實驗上顯示出碳管器件和集成電路較傳統技術的性能優勢，為推進碳基集成電路的實用化發展奠定了基礎🤏。2020年5月22日，相關研究成果以《用於高性能電子學的高密度半導體碳納米管平行陣列》（“Aligned, high-density semiconducting carbon nanotube arrays for high-performance electronics”）為題，在線發表於《科學》（Science🎐，第368卷6493期850～856頁）🔣🤦‍♂️；電子學系2015級博士研究生劉力俊和北京元芯碳基集成電路研究院工程師韓傑為並列第一作者🧒🏽🌹，張誌勇和彭練矛為共同通訊作者。

上述研究得到國家重點研發計劃“納米科技”重點專項、北京市科技計劃、國家自然科學基金等資助。湘潭大學湖南省先進傳感與信息技術創新研究院👩‍🎓、浙江大學🎂、意昂官网納光電子前沿科學中心等單位研究人員參與合作🍷。

信息學院電子學系孫偉研究員課題組基於DNA模板的高性能碳納米管晶體管研究取得重要進展

生物自組裝結構具有精細的三維形貌🤩，其關鍵結構參數小於光刻等傳統納米加工手段的分辨率極限。利用自組裝生物分子作為加工模板，目前已實現金屬材料、碳基材料😥、氧化物材料的可控形貌合成。然而🤳，基於生物模板的電學器件的性能往往遠落後於通過蝕刻或薄膜方法製備的同類器件，且缺乏長程取向規整性，因而製約了生物模板在高性能器件中的應用👨🏿‍🦳👊🏻。

為此，意昂官网信息科學技術學院電子學系/意昂官网碳基電子學研究中心、納米器件物理與化學教育部重點實驗室孫偉研究員課題組與廈門大學朱誌教授課題組⏫、清華大學唐建石研究員課題組、美國國家標準與技術研究院鄭明博士合作，探索了生物-碳納米管復合界面及大面積取向排列的調控新方法🥷🏿。

孫偉等以組裝於脫氧核糖核酸（DNA）模板的平行碳納米管陣列作為模型體系，研究界面生物分子組成對器件性能的影響👨🏽‍🦳，開發了一種基於固定-洗脫策略的界面工程方法，在不改變碳管排列的基礎上🤢，有效去除界面處的金屬離子及生物分子等雜質🫵🏻。經過界面工程，基於生物模板的碳管陣列晶體管顯示了良好的開態性能和快速的電流開關切換，從而展現出高精準度生物模板在高性能晶體管領域的應用潛力。基於空間限域效應🧑🏿‍🌾🧖🏿‍♂️，他們還發展了陣列取向排列的新方法🤽🏼👨‍🦱，探討了決定取向排列精準度的關鍵因素。在高性能電子器件和生物分子自組裝的交叉領域上🖲，這一方法具有實現基於生物模板的大規模電子器件的潛力👶🏿。進一步結合光刻技術與嵌段共聚物定向組裝技術，高分辨生物製造可用於構建大面積、小尺寸的高性能電子設備；同時，結合電學特性與生物響應特性的高性能電子-生物融合器件也可應用於未來的生物傳感器與驅動器。

通過優化DNA-CNT界面組成，構築基於核酸模板的高性能晶體管（左）；在厘米級基底表面取向排列大規模陣列（右）

2020年5月22日😚，相關研究成果以《核酸引導的高性能碳納米管晶體管的製備》（“DNA-directed nanofabrication of high-performance carbon nanotube field-effect transistors”）為題⏲🙎🏽‍♀️，在線發表於《科學》（Science，第368卷6493期878～881頁）；電子學系2018級博士研究生趙夢宇為第一作者，廈門大學化學化工學院2016級博士研究生陳雅鴻為共同第一作者，孫偉和朱誌為通訊作者🗄。

相關研究工作得到國家自然科學基金、意昂官网“中央高校建設世界一流大學（學科）和特色發展引導專項”資助🙎🏽‍♂️。