半導(dǎo)體性碳納米管具有大長(zhǎng)徑比、無懸鍵表面、高載流子遷移率、室溫彈道輸運(yùn)等獨(dú)特結(jié)構(gòu)特征和優(yōu)異電學(xué)性質(zhì)，因而被認(rèn)為是十納米以下高性能、低功耗晶體管溝道材料的有力候選。碳納米管的導(dǎo)電屬性取決于其螺旋（手性）結(jié)構(gòu)，通常制備出的碳納米管為金屬性和半導(dǎo)體性碳納米管的混合物。雖然近年來碳納米管的結(jié)構(gòu)控制生長(zhǎng)與手性分離研究取得了較大進(jìn)展，但單根碳納米管的手性及導(dǎo)電屬性調(diào)控仍是本領(lǐng)域研究的關(guān)鍵和難點(diǎn)。
近期，中科院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心先進(jìn)炭材料研究部劉暢研究員等人與日本國(guó)立材料科學(xué)研究所、澳大利亞昆士蘭科技大學(xué)、俄羅斯國(guó)立科技大學(xué)等單位的學(xué)者合作開展了碳納米管手性改造與分子結(jié)晶體管研究。他們利用原位透射電子顯微鏡對(duì)單根碳納米管進(jìn)行原位加工、表征與測(cè)量，通過精確控制透射電鏡樣品桿上的壓電納米探針對(duì)碳納米管施加焦耳熱和拉伸應(yīng)力，誘導(dǎo)局部塑性變形與手性演變。利用球差校正電鏡圖像和納米束電子衍射圖譜對(duì)變形前后碳納米管的手性進(jìn)行分析，在近三十次連續(xù)手性轉(zhuǎn)變過程中發(fā)現(xiàn)碳納米管的手性角具有向高角度轉(zhuǎn)變的明顯趨勢(shì)。結(jié)合原位測(cè)量以碳納米管為導(dǎo)電溝道的懸空晶體管的電學(xué)輸運(yùn)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了金屬性碳納米管向半導(dǎo)體性碳納米管的可控轉(zhuǎn)變。利用此方法制備出溝道長(zhǎng)度僅為2.8納米的金屬-半導(dǎo)體-金屬構(gòu)型碳納米管分子結(jié)晶體管（圖1），并觀察到其室溫量子相干輸運(yùn)性質(zhì)和法布里-珀羅（Fabry-P rot）干涉效應(yīng)。本研究為碳納米管的手性及導(dǎo)電屬性調(diào)控提供了新途徑，顯示了碳納米管分子節(jié)晶體管的優(yōu)異性能。相關(guān)結(jié)果于12月24日在《科學(xué)》（Science）周刊在線發(fā)表。
論文第一作者單位為日本國(guó)立材料科學(xué)研究所，我所劉暢研究員為共同通訊作者。該研究工作獲得了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委及沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心等項(xiàng)目的支持。
圖1 （A-D）單根碳納米管的原位加工過程。（E-F）碳納米管電學(xué)性質(zhì)從金屬性到半導(dǎo)體性的轉(zhuǎn)變。（G）溝道長(zhǎng)度僅為2.8納米的碳納米管分子結(jié)晶體管，及（H-I）該晶體管的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性曲線。
