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    我國學者在生物自組裝的高性能碳基晶體管領域取得進展

    日期 2020-06-10   來源:化學科學部   作者:姜瑋 梁振興 張國俊 陳擁軍  【 】   【打印】   【關閉

      在國家自然科學基金項目(批準號:21875003、21991134、61621061)資助下,北京大學孫偉研究員與廈門大學朱志教授、清華大學唐建石研究員、美國國家標準與技術研究院鄭明博士合作,探索了生物分子-碳納米管復合界面中,不同化學組成對碳納米管器件輸運性質的影響,并研究了大面積取向排列生物分子-碳納米管陣列的調控方法,在生物自組裝的高性能碳基晶體管領域取得進展。相關研究成果以“DNA導向的高性能碳納米管晶體管的制備(DNA-directed nanofabrication of high-performance carbon nanotube field-effect transistors)”為題,于2020年5月22日發表在《科學》(Science)上。論文鏈接:https://science.sciencemag.org/content/368/6493/878。

      生物分子自組裝結構具有精細的三維形貌,其關鍵結構參數小于光刻等傳統納米加工手段的分辨率極限。利用自組裝結構作為加工模板,目前已實現金屬材料、碳基材料、氧化物材料的可控形貌合成。然而,基于微米尺度生物自組裝模板的電學器件,其性能往往遠落后于通過蝕刻或薄膜方法制備的同類器件,且缺乏長程取向規整性,因而制約了生物自組裝模板在高性能器件中的應用。

      研究人員以組裝于脫氧核糖核酸(DNA)三維單晶薄膜上的等間距、平行碳納米管陣列作為模型體系,研究了界面生物分子對器件性能的影響,開發了一種基于固定-洗脫策略的界面工程方法,從而在不改變碳納米管排列的基礎上,有效地去除了界面處的金屬離子及生物分子等雜質。經過界面工程,基于DNA模板的碳納米管陣列晶體管顯示了良好的開態性能和快速的電流開關切換,從而展現出具有高結構精準度的三維生物自組裝在高性能晶體管領域的應用潛力。基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)模板的空間限域效應,研究人員發展了DNA-碳納米管組裝結構的取向排列新方法,探討了DNA模板長度、PMMA模板長寬比等決定取向排列精準度的關鍵因素,并在厘米級基底表面制備了高密度取向排列的DNA-碳納米管陣列(如圖)。

      該研究工作為構建大面積、小尺寸的高性能電子設備提供了一種新的制備方法,對電子-生物融合器件的應用具有重要意義。

    (左)通過優化DNA-碳納米管界面組成,構筑基于DNA模板的高性能晶體管

    (右)在厘米級基底表面,取向排列大規模、高密度陣列

    圖. 基于DNA-碳納米管陣列的高性能晶體管




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