纳米管

据美国物理学家组织网2月2日(北京时间)报道，来自IBM、苏黎世理工学院和美国普渡大学的工程师近日表示，他们构建出了首个10纳米以下的碳纳米管(CNT)晶体管，而这种尺寸正是未来十年计算技术所需的。这种微型晶体管能有效控制电流，在极低的工作电压下，仍能保持出众的电流密度，甚至可超过同尺寸性能最好的硅晶体管的表现。相关研究报告发表在最新一期的《纳米快报》杂志上。 　　很多科研小组都致力研发小尺寸的晶体管，以切合未来计算技术对于更小、更密集的集成电路的需要。但现有的硅基晶体管一旦尺寸缩小，就会失去有效控制电流的能力，即产生所谓的“短沟道效应”。 　　在新研究中，科研人员舍弃硅改用单壁碳纳米管进行实验。碳纳米管具有出色的电气性能和仅为直径1纳米至2纳米的超薄“身躯”，这使其在极短的通道长度内也能保持对电流的闸门控制，避免“短沟道效应”的生成。而IBM团队研制的10纳米以下碳纳米管晶体管首次证明了这些优势。 　　科学家表示，理论曾预测超薄的碳纳米管将失去对于电流的闸门控制，或减少输出时的漏极电流饱和，而这都会导致性能的降低。此次研究的最大意义在于，证明了10纳米以下的碳纳米管晶体管也能表现良好，且优于同等长度性能最佳的硅基晶体管，这标志着碳纳米管可成为规模化生产晶体管的可行备选。 　　工程师在同一个纳米管上制造出若干个独立的晶体管，其中最小一个的通道长度仅为9纳米，而这个晶体管也表现出了极好的转换行为和漏极电流饱和，打破了理论的预言。当与性能最佳，但设计和直径不同的10纳米以下硅基晶体管进行对比时，9纳米的碳纳米管晶体管具有的直径归一化(漏)电流密度，可达到硅晶体管的4倍以上。而且其所处的工作电压仅为0.5伏，这对于降低能耗十分重要。此外，超薄碳纳米管晶体管的极高效能也显示出了其在未来计算技术中大规模使用的潜力。 　　总编辑圈点 　　没人不爱便携。所以电子元件抗拒不了“越缩越小”的命运。但对于碳纳米管晶体管，性能和尺寸却在“闹矛盾”：既往理论认为，如果缩到了15纳米以下的长度，那载体有效质量相对于其它半导体来说，就太小了，从而非常容易就隧穿和渗入设备——不受控制，这是身为电子元件所最不被看好的。不过，现在工程师们搞定了它，据其论文讲，问题发生在碳纳米管金属触点的物理模型有所不足，而此前的研究均忽视了这一点，没人仔细观察电子在通过那小小交界处时发生了什么。

p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 近日，中国科学技术大学化学与材料学院杜平武教授课题组，首次利用纳米管稠环封端“帽子”模板，构建出纵向切割的纳米管弯曲片段。这种通过三个弯曲型分子连接两个石墨烯单元的方法，可直接得到纳米笼状结构，为构建封端锯齿型碳纳米管提供了新思路。相关研究成果发表在最新一期《德国应用化学》上。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 无独有偶。几乎在同时，以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员，使用功能化碳纳米管生产出首个能在室温下使用通信波长发射单光子的碳纳米管材料。神奇材料碳纳米管，为何如此受各国科学家追捧？ /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 空间结构像“挖空的足球” /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 1985年，“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。将“足球”挖空，保持表面的五角和六角网格结构，再沿着一个方向扩展六角网格，并赋予平面网格以碳—碳原子和共价键，就形成了具有中空圆柱状结构的碳纳米管。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约0.34纳米，直径一般为2—20纳米。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “可以将碳纳米管联想为头发丝，而实际上它的直径只有头发丝的几万分之一，即几万根碳纳米管并排起来才与一根头发丝相当。”杜平武教授告诉科技日报记者，作为典型的一维纳米结构，单层碳原子和多层碳原子网格卷曲而成的单壁与多壁碳纳米管，直径通常为0.8—2纳米和5—20纳米，目前报道的最细碳纳米管直径可小至0.4纳米。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 杜平武告诉记者，碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。若依其结构特征，碳纳米管则可分为扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管等几种类型。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 制备方法是挑战 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “通常的碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。”杜平武告诉记者，电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现的碳纳米管。“这种方法比较简单，但很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层碳纳米管。” /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “随后科研人员又发展出了化学气相沉积法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷，得到的碳纳米管纯度比较高，但管径不整齐，形状不规则。”杜平武说，后续逐步发展起来的固相热解法等，均受限于环境和条件。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “碳纳米管的制备过程与有机合成反应类似，其副反应复杂多样，很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管。”杜平武说，在强酸、超声波作用下，碳纳米管可以先断裂为几段，再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “如果通过类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖，那么只需找到少量的扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管，便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。”杜平武说，这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 性能及尺寸超越硅基材料 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " “碳纳米管具有完美的一维管式结构，碳原子以碳—碳共价键结合，形成自然界中最强的化学键之一，因此轴向具有很高的强度和韧性。此外六角平面蜂窝结构围成的管壁侧面没有悬挂键，所以碳纳米管具有稳定的化学特性。”杜平武说，碳纳米管优异的性能表现在电学、热学和光学等方面，具有超越传统的导电、导热特性等等。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 2013年，斯坦福大学科学家制备了由平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”。近两年，碳纳米管电子器件的性能及尺寸又一次次被突破，势在超越并最终取代目前商用的硅基器件。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 碳纳米管还可以制成透明导电的薄膜，用作触摸屏的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体，不受稀有矿产资源的限制。碳纳米管触摸屏具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性，可以做成曲面，已在可穿戴装置、智能家具等领域得到应用。 /p p style=" text-indent: 2em text-align: justify " 碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象的最细毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应的最细试管，科学家甚至研制出能称量单个原子的“纳米秤”。“我国在碳纳米管材料的基础研究方面处于领先地位，结构均一性的控制方法和理论不断创新，控制指标也逐年刷新。”杜平武说。 /p

美国普渡大学的研究人员发明了一种追踪活体细胞和血液中碳纳米管的成像新技术，使得纳米管在生物医学研究和临床医学的应用趋于完美。相关研究论文在线发表于11月4日的《自然—纳米技术》杂志上。 　　纳米管目前有两种，它们在药物输送和癌症研究成像中具有潜在应用价值；然而至今没有一种技术可以在活体细胞和血液中观察到它们。此次发明的技术叫做“瞬间吸收成像系统”，利用脉冲近红外激光将能量送入纳米管，之后再由第二束激光探测。该技术不需要用染料来标记纳米管，使得其在科研和医药应用上具潜在的实用价值。此外，科学家们通过使信号由不同的“通道”经过红细胞和纳米管，从而消除勒红细胞的背景干扰。 　　该研究领导者、华人科学家Ji-Xin Cheng表示，该技术可以实时观测纳米管在血液中的循环，可以为研究者提供相关信息，从而了解如何完美地在研究和临床上应用纳米管。(科学网 任春晓/编译) 　　相关仪器及方法：瞬间吸收成像系统 　　完成人：Ji-Xin Cheng课题组 　　实验室：美国普渡大学化学系/韦尔登生物医学工程学院/医学化学与分子药物学系/物理系/伯奇纳米中心 　　更多阅读 　　《自然—纳米技术》发表论文摘要(英文)