突破30年難題，純手性碳納米管陣列“問世”

　　時隔11個月，上海交通大學（以下簡稱上海交大）教授史志文團隊與合作者再發頂刊。

　　去年4月，他們在實驗室“種”出世界最長、性能最優的石墨烯納米帶，成果發表在《自然》。這個陽春三月，他們又有所收獲，首次成功制備出緊密排列、手性單一的單壁碳納米管陣列，實現了碳納米管從無序生長到有序陣列的突破。成果北京時間3月14日發表于《科學》。

　　“這是朝著單晶夢邁出的一大步。”“作者發現了一些非常有價值的東西，可能對領域產生重大影響。”“創新性強、有沖擊力、文章寫得好，值得在《科學》上發表。”三位國際審稿人給出的評價都非常高。

排列整齊、手性一致的單壁碳納米管。受訪者供圖

　　30年難題獲突破

　　碳納米管自1991年被發現以來，一直被視為下一代計算機芯片的理想材料。這種一維材料直徑只有1納米，是“最細”的半導體材料，但其電子遷移率卻遠超傳統硅材料，為制造更小、更快、更節能的晶體管提供了可能。

　　在實際應用中，需要將大量的碳納米管以高度有序的方式排列在一起，以提高一致性和功能性。然而，現有的兩種主要制備方法——受控的化學氣相沉積生長和使用后生長技術組裝碳納米管仍存在不少缺陷。前者存在手性不均一的問題，后者存在因表面活性劑和聚合物導致質地不純凈的問題，且兩者都存在碳納米管捆綁和排列紊亂的問題。

　　國內外許多科學家都在嘗試攻克這些嚴重限制碳納米管集成電路應用的難題。例如北京大學彭練矛院士團隊就走在這一領域的世界前沿，通過對隨機生長的碳納米管進行純化處理，將其純度提升到99.99%甚至更高，實現了在集成電路上的初步應用。北京大學張錦院士、李彥教授通過采用特殊的生長基底或催化劑也使得碳納米管的手性單一度達到90%以上。“這些都是非常了不起的工作。”史志文對《中國科學報》說。

　　然而，如何直接生長出緊密排列、手性單一，可承載高電流密度的半導體性碳納米管陣列？這仍然是全球領域內科學家的努力方向。

　　史志文團隊通過采用原子級平整的六方氮化硼為基底，利用其超潤滑特性，在基底上直接生長出規律性地整齊密排、手性單一的單壁碳納米管自組裝陣列，實現了這一領域科學家30多年來的理想追求。

　　“氮化硼基底的超平滑特性，使得生長出的碳納米管能夠在基底上自由滑移，并自組裝成高度有序的陣列結構。這種方法不僅解決了碳納米管生長中的結構控制難題，還實現了手性高度一致的陣列。”史志文向《中國科學報》解釋道。

　　在史志文團隊的論文中，可以看到被放大后的碳納米管宛如一根靈動的“面條”，在氮化硼基底上自由、反復折疊，形成“橋梁”“單行道”“玉佩”“操場跑道”等多種陣列形狀。“碳管在平滑的基底上滑移時，遇到障礙物后就會拐彎，靠著它自身和自身之間的范德華吸引力，貼在一起。因為一根碳管自身的結構和性質是均勻不變的，自組裝形成的陣列結構和性質也會如此，每一段平行排列、緊密相鄰的碳管結構和手性都一模一樣。”史志文解釋說。

碳納米管折疊后自組裝形成的不同形狀。受訪者供圖

　　在器件性能方面，該團隊與中國科學院物理研究所研究員張廣宇團隊開展合作研究，所得到的碳納米管陣列晶體管表現卓越：載流子遷移率高達2000平方厘米每伏每秒，開關比高達107，超過普遍的105~106的可用標準，開態電流密度約為1.2毫安每微米，優于硅基電路發展路線圖中對未來數年的預期指標。

　　“好運氣”與“精打磨”

　　談起這項研究背后的故事，史志文笑言：“有運氣成分在里面。”

　　在碳納米管研究與產出的三十多年歷程中，不乏有團隊生長出“米級”碳管，但無人發現碳管可通過“自折疊”和“自組裝”實現結構的均勻密排和手性結構的一致性。史志文團隊大膽嘗試六方氮化硼基底與碳納米管的新組合，“意外好運”地收獲了一系列有趣的新材料——性能優異的超長石墨烯納米帶、單一手性密排碳納米管陣列。

　　“做科學研究，運氣有時候蠻重要，運氣好時能發現許多新事物，運氣不好時，可能兩三年都是沉寂的狀態。”史志文說。

　　不過，運氣不會憑空而來。在史志文看來，嘗試別人沒做過的事情是一個關鍵所在。“這就像挖礦，你一定要去探索那些別人沒有探過的地方，才有更大的機會能發現一些有價值的新事物。”他說。

　　史志文表示，實際科研過程，導師往往只是指明大的探索方向，告訴學生哪個地方可能有“金礦”，但能不能找到礦，關鍵還要看學生。“我要感謝我的學生，他們總能敏銳地捕捉到有價值的新事物，在后續的研究中也非常努力。”他說。

　　“2022年，師兄陳佳俊博士（論文共同一作兼共同通訊）最早發現碳納米管自組裝形成密排陣列的現象，當時我們課題組的人都很興奮，大家都預感到這將是一項重大成果。”史志文團隊博士生張智淳對《中國科學報》說。

　　2023年7月陳佳俊博士畢業后，張智淳、陳一和沈沛約（均為論文共同第一作者）接力該項目研究，他們堅持不懈的努力，讓團隊實現了較穩定的碳管陣列產出，最終取得重大突破。

　　如何將這個重磅成果發表在一流期刊上讓更多的同行關注到呢？這也是擺在研究團隊面前的一道不小的難題。史志文強調：“好的科研成果需要‘精打細磨’。”

　　史志文所說的“打磨”，就是去偽存真，用精準的數據與圖像，以最直觀、簡潔的方式將科學發現的本來面目展現出來。

　　在他們的這項研究中，有一幅看似很普通的圖——數十根整齊排列的碳納米管陣列的橫截面圖，就像被整齊切斷的“空心面條”。

像被整齊切斷的“空心面條”一樣，整齊排列的碳納米管陣列的橫截面圖。受訪者供圖

　　但獲取這幅圖的難度卻與“在案板上切面條”不可同日而語。史志文向記者介紹：“人的頭發絲直徑約50微米，而單個碳納米管直徑不足頭發絲的萬分之一。”由于碳納米管極為細小，在宏觀層面根本無法看到單個碳管，檢測其整齊排列更是難上加難。在透射電子顯微鏡下尋找樣品，猶如大海撈針，而且獲取圖像時，電子束必須調整到與樣品管子方向完全平行，否則無法看到碳管的環狀結構。想要觀測到整齊的碳管陣列的橫截面，可謂古人過蜀道——難如登天。

　　起初，陳佳俊前往上海交通大學分析測試中心嘗試獲取圖像，連續奮戰幾天幾夜，卻一無所獲。于是，團隊開始尋求更專業的人士，然而在接連找尋兩個合作團隊，研究了近一年后，問題始終未能攻克。最后，合作者又推薦了浙江大學材料系教授金傳洪，借助金傳洪團隊在碳納米管成像技術方面的豐富經驗，最終成功獲得了理想的圖像。

　　“光是為了得到這幅圖，我們團隊就花費了近兩年時間。”史志文告訴記者。

　　除此之外，團隊成員還開展了大量實驗，獲取了豐富的實驗證據。通過掃描探針技術表征，證實了碳管排列良好、取向一致；拉曼光譜顯示碳管直徑統一；瑞利光譜表明其手性結構一致，充分證明了陣列內碳管之間毫無差異。

　　不止如此，為弄清碳納米管如何在六方氮化硼上自組裝，他們還與武漢大學教授歐陽穩根合作開展了大量理論研究，對碳納米管的生長過程，包括自組裝的原因、摩擦力和范德華作用力的大小等進行了深入分析。“最終，我們經過反復溝通、分析，才構建出完善的理論模型。”論文共同第一作者、在兩個合作團隊之間發充當“潤滑劑”的博士生陳一對《中國科學報》說。

　　這些工作為最初的科學發現提供了充分、直觀的科學證據。2024年10月底，團隊將撰寫完成的論文投稿至《科學》雜志編輯部。令人驚喜的是，此后的審稿流程進展迅速：兩周左右論文被送往外審，不到兩個月便收到三位同行評議人的高度評價回復。今年2月中旬，論文在投出三個多月后順利被接受，到最終發表歷時僅四個多月。

　　“從投稿到最終接收，我們一個數據都沒用補充。因為前期已經打磨得充分。”史志文自信地說。

史志文（右一）和團隊中的論文作者陳佳俊、陳一、張智淳（從左至右）。受訪者供圖

　　“做點不一樣的，做點新的”

　　“碳納米管從無序生長到有序陣列生長的突破，為深入研究碳納米管的基本物性提供了理想模型，有助于科學家進一步探索其量子特性。在應用領域，我們的研究也為碳納米管在半導體器件，尤其是芯片制造領域的應用帶來新希望。”史志文如是解讀這項研究成果的意義。

　　盡管研究成果收獲了諸多贊譽，史志文卻坦承，目前的研究仍存在不足。要實現碳納米管陣列的實際應用，還面臨兩大難題：一是讓碳納米管生長得足夠長；二是深入了解其性能機理，實現對其自組裝過程的精準控制。

　　“現在，我們一個陣列的尺寸只能做到數微米長、數百納米寬。下一步如果能夠把單根碳納米管長到毫米級、厘米級，甚至是米級長度，再把它折疊起來，陣列的尺寸就會很可觀。”史志文說，若能攻克大規模制備難題，碳納米管有望憑借其出色的電學性能，成為新一代芯片材料，推動集成電路向更小尺寸、更高頻率、更低能耗的方向邁進。

　　展望未來的研究，史志文回憶起十多年前在中國科學院物理研究所讀博時，導師王恩哥院士常說的一句話：“Do something different，do something new”（做點不一樣的，做點新的）。

　　他認為，團隊的研究之所以能夠取得重大發現，一個關鍵點在于在研究起點上選擇了與他人不同的路。如今，他也希望將這一理念傳遞給學生和更多人，激勵他們在科研道路上不斷創新、勇攀高峰。

　　（實習生宋書扉對本文亦有貢獻）