近日，西湖大学工学院师恩政课题组，麻省理工学院Jing Kong课题组、Tomás Palacios课题组，以及北京大学曹安源课题组提出了一种全新的单壁碳纳米管水平定向组装方法——“软锁抽丝”法，实现了具有高定向准度的超洁净碳纳米管水平阵列的无损组装，并将其首次用于高密度单层MoS2晶体管中的纳米级电极及导线，展现出了高载流密度、低接触电阻的优异性能，显示出其在未来纳米电子器件与先进集成技术应用中的巨大潜力。该研究成果以“Soft-lock drawing of super-aligned carbon nanotube bundles for nanometer electrical contacts”为题发表在Nature Nanotechnology上，西湖大学工学院特聘研究员师恩政为论文的共同第一作者与共同通讯作者。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41565-021-01034-8
在场效应晶体管中，单根半导体碳纳米管可以作为晶体管的沟道材料，单根金属性碳纳米管可以作为栅极电极。因此，将碳纳米管应用于场效应晶体管中具有促进晶体管小型化的潜力，且远远优于最先进的商用晶体管中的沟道和栅极长度。定向的平行碳纳米管之间的范德华相互作用可以促成高堆积密度和低电阻的碳纳米管束的形成，与传统金属相比，金属性的碳纳米管束是下一代微电子导线的理想候选材料。
迄今为止，高密度、高定向准度的碳纳米管束水平阵列的可控组装仍未实现。针对这个难题，西湖大学师恩政课题组提出了一种全新的定向组装方法——“软锁抽丝”法。该方法巧妙地运用机械力，刚柔并济，利用包裹有乙醇浸湿的尼龙膜的刚性介质，进行单壁碳纳米管的水平定向。
“软锁抽丝”法示意图及碳纳米管定向效果SEM图
该水平超定向碳纳米管束阵列具有高定向准度（角度标准偏差为0.03～0.13°）、高堆积密度（～400/μm）和高电流承载力（∼1.8×108 A/cm2）。并且在整个定向过程中，不使用任何表面活性剂，可用于定向长碳纳米管（长度为300 μm～1 mm，长径比＞200000），在定向过程中对碳纳米管不造成损伤，在定向完成后对未经纯化的碳纳米管有清洁的作用（去除碳纳米管表面的杂质如无定形碳和催化剂），这对于定向碳纳米管在纳米电子器件中的应用具有非常关键的意义。
该方法所制备的水平超定向碳纳米管的高定向准度、高堆积密度、表面清洁度和优异的导电性使它成为一种非常有前景的纳米电极和导线。在本工作中，作者首次将其用于顶部栅极单层MoS2晶体管中作为纳米金属导线。
水平超定向碳纳米管束阵列应用于高密度单层MoS2晶体管的纳米级金属导线
本文报道的“软锁抽丝”方法，实现了具有超高定向准度的超净碳纳米管水平阵列的无损组装，并将其首次用作高密度单层MoS2晶体管的纳米级金属导线，展现出了高电流密度、低接触电阻的优异性能，为未来纳米电子学发展中金属和半导体低维纳米材料的集成技术提供了新的思路。通过进一步的优化，金属水平超定向碳纳米管束可以作为大面积的逻辑和存储器件的源/漏电极，并用于后端（BEOL）集成或低维材料系统的3D集成。