Science：DNA模板辅助碳纳米管排列场效应晶体管

纳米技术

2020-05-24

 半导体碳纳米管在场效应晶体管中具有广泛的应用潜力，其原因在于当器件变的越来越精细，碳纳米管会跨越硅基材料的性能。对于这种碳纳米管结构的器件中，关键因素在于高度对齐且密集的碳纳米管阵列（highly aligned and dense array），同时需要消除外面的包覆物降低接触电阻。北京大学孙伟、厦门大学朱志、大连理工大学、美国国家标准与技术研究院、清华大学等通过单链DNA手柄（single-stranded DNA handles）包裹碳纳米管，并通过DNA模板方法（origami brick）形成精确的10.4 nm宽的管间距。随后将这种碳纳米管阵列组装到Si单晶上，形成单通道或多通道。通过将碳纳米管通过电极和硅基底上连成通路，随后将负载在碳纳米管外的DNA消除，随后沉积电极和栅极，制备的场效应晶体管展现了高性能，并且能够快速的进行开关调控。

通过这种生物组装方法得到的半导体碳纳米管阵列比通过光刻法方法获得的间隔更窄，得到的场效应晶体管关键的传输性能指标（transport performance metrics）是以往报道的生物模板场效应晶体管的10倍。在聚甲基丙烯酸甲酯（polymethyl methacrylate）模板中进行限域组装，得到了厘米级别长度的高度排列碳纳米管。

本文要点：

（1）

首先制备了宽度约16 nm的DNA修饰碳纳米管，随后在PMMA包覆的Si基底上构建纳米级别的通道（通道密度~2×10⁷ cavities/cm²，通道的宽度范围180~250 nm），随后将DNA修饰的碳纳米管沉积到基底上。当除去PMMA后（在400 ℃真空中煅烧30 min），作者发现＞85 %的通道中填充了DNA-碳纳米管。

当通道的宽度在200 nm，相邻碳纳米管间距为24 nm，得到的晶体管展现了最好的性能，V_th达到-0.26 V，I_on达到154 μA/μm，g_m达到0.37 mS/μm，G_on达到0.31 mS/μm。

（2）

作者认为构建间距低于10 nm的碳纳米管阵列可能有更好的性能，同时当间距低于2 nm，碳纳米管之间的静电作用可能抑制晶体管的开关性能。这种生物模板可能在生物执行器和传感器上有应用前景。

参考文献

Mengyu Zhao, Yahong Chen, Kexin Wang, Zhaoxuan Zhang, Jason K. Streit, Jeffrey A. Fagan, Jianshi Tang, Ming Zheng, Chaoyong Yang, Zhi Zhu*, Wei Sun*

DNA-directed nanofabrication of high-performance carbon nanotube field-effect transistors，Science 2020, 368 (6493), 878-881

DOI：10.1126/science.aaz7435

https://science.sciencemag.org/content/368/6493/878