单壁碳纳米管(SWCNT)具有由六边形键合的sp2碳原子组成的一维螺旋管状分子结构。从概念上讲，可以通过沿着所谓的手性矢量卷起石墨烯片来形成SWCNT。SWCNT的手性决定了它的原子几何形状和电子结构，即它是金属的还是半导体的。半导体碳纳米管可用于制造节能纳米晶体管，因此有望用于构建超硅微处理器。

然而，尽管碳纳米管在选择性生长和分离方面取得了进展，但控制单个碳纳米管的手性仍然是一个巨大的挑战。金属纳米管和半导体纳米管之间的分子结也可以作为纳米电子器件的基础，分子内碳纳米管结表现出类似于整流二极管的非线性输运特性。在纳米管生长期间随机出现的缺陷处形成结。机械应变可以改变电子特性，理论上，塑性应变可以改变CNT手性以创建分子内纳米管连接。实验上，已经报道了通过塑性变形对CNT手性进行修改，但这些转变以及由此产生的电特性不受控制，而是被认为是由不同手性结构之间的小能量差异引起的随机跳跃。

中科院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心先进炭材料研究部研究员刘畅等人与日本国立材料科学研究所、澳大利亚昆士兰科技大学等单位的研究人员合作，开展了碳纳米管手性改造与分子结晶体管研究。相关研究成果12月24日在线发表于《科学》。

半导体性碳纳米管具有大长径比、无悬键表面、高载流子迁移率、室温弹道输运等独特结构特征和优异电学性质，因而被认为是十纳米以下高性能、低功耗晶体管沟道材料的有力候选。

碳纳米管的导电属性取决于其螺旋（手性）结构，通常制备出的碳纳米管为金属性和半导体性碳纳米管的混合物。虽然近年来碳纳米管的结构控制生长与手性分离研究取得了较大进展，但单根碳纳米管的手性及导电属性调控仍是本领域研究的关键和难点。

为此，研究人员利用球差校正电镜图像和纳米束电子衍射图谱对变形前后碳纳米管的手性进行分析，在近30次连续手性转变过程中发现碳纳米管的手性角具有向高角度转变的明显趋势，并结合原位测量以碳纳米管为导电沟道的悬空晶体管的电学输运性质，实现了金属性碳纳米管向半导体性碳纳米管的可控转变。

研究人员用此方法制备出沟道长度仅为2.8纳米的金属—半导体—金属构型碳纳米管分子结晶体管，并观察到其室温量子相干输运性质和法布里—珀罗干涉效应。本研究为碳纳米管的手性及导电属性调控提供了新途径，显示了碳纳米管分子结晶体管的优异性能。

领导该研究项目的昆士兰大学材料科学中心联合主任Dmitri Golberg教授指出，这项成果是一个“非常有趣的基础性发现”，它可能会为未来几代先进计算设备的微型晶体管的发展开辟一条道路。

“在这项工作中，我们已经证明了控制单个碳纳米管的电子特性是可能的，”他补充说。

研究人员通过同时施加一个力和低电压，加热由几层组成的碳纳米管，直到外管壳分离并只留下一个单层纳米管，从而创造出了微型晶体管。在此过程中，热量和应变改变了纳米管的“相似性”，这意味着碳原子连接在一起形成纳米管壁的单原子层的模式被重新排列。连接碳原子的新结构的结果是，纳米管被转化为一个晶体管。

研究论文的第一作者、来自日本国际材料纳米架构中心的Dai-Ming Tang博士表示，这项研究证明了操纵纳米管的分子特性来制造纳米级电气设备的能力。Tang博士于五年前开始从事该项目。

“半导体碳纳米管在制造高能效的纳米晶体管、从而构建超越硅的微处理器方面非常有发展前景。然而，控制单个碳纳米管的特性仍是一个巨大的挑战，它独特地决定了原子的几何形状和电子结构。在这项工作中，我们通过加热和机械应变来改变金属纳米管段的局部特性、设计并制造了碳纳米管分子内晶体管。”他补充道。

Golberg教授则表示，这项研究展示了创造微型晶体管的基础科学，这是朝着建立超越硅微处理器迈出的有希望的一步。晶体管用于切换和放大电子信号，通常被称为包括计算机在内的所有电子设备的“构建块”。比如苹果对外公布的，为未来iPhone手机提供动力的芯片包含有150亿个晶体管。

几十年来，计算机行业一直专注于开发越来越小的晶体管，但面临着硅的局限性。近年来，研究人员在开发纳米晶体管方面取得了重大进展。纳米晶体管非常小，数以百万计的纳米晶体管可以装在一个大头针的头部。

“晶体管小型化到纳米级，是现代半导体产业和纳米技术的一大挑战，”Golberg教授说，“目前的发现，虽然不适合大规模生产微型晶体管，但显示了一种新的制造原理，并开辟了一个新的领域。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.abi8884

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