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| 編輯推薦： |
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全面系统地介绍了晶圆级高纯度超长碳纳米管的制备工艺、生长原理及其在碳基电子器件方面的应用方法，相关成果被列为科技部“变革性技术关键科学问题”重点研究课题。
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| 內容簡介： |
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《晶圆级半导体性超长碳纳米管的进化生长与组装》全面系统地介绍了晶圆级高纯度超长碳纳米管的制备工艺、生长原理及其在碳基电子器件方面的应用方法，建立了纳米催化过程的传质双球模型并成功用于指导晶圆级碳纳米管的可控制备，介绍了高纯度半导体性碳纳米管的进化生长与纯化策略及采用原位方法实现超长碳纳米管的组装与操纵吗，以此发展高性能电子器件，并对超长 碳纳米管在碳基电子领域的应用提出展望。
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| 關於作者： |
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朱振兴，毕业于清华大学化学工程系，从事晶圆级超长碳纳米管的选择性制备与器件应用，在Nature Communications、Science Advances、ACS Nano、Advanced Materials等期刊发表论文26篇，授权6项发明专利，1项美国专利，作为技术骨干参与国家自然科学基金重点项目，获评国家奖学金、北京市技术发明创新特等奖、北京市优秀毕业生。
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| 目錄：
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第1章碳纳米管的结构与应用基础
1.1前沿进展介绍
1.2碳纳米管的结构与电学性质
1.2.1碳纳米管的结构
1.2.2碳纳米管的电学性质与优异性能
1.3碳纳米管的生长机理与可控制备
1.3.1碳纳米管的生长机理
1.3.2长度控制
1.3.3密度控制
1.3.4半导体性控制
1.3.5手性控制
1.4手性碳纳米管的光谱表征
1.4.1瑞利散射表征
1.4.2拉曼表征
1.5碳纳米管的组装
1.5.1碳纳米管的液相法组装
1.5.2碳纳米管的气相法组装
1.6碳纳米管的电子器件应用
1.6.1单根碳纳米管的电子器件应用
1.6.2碳纳米管阵列的电子器件应用
1.7本书的内容安排
第2章晶圆级超长水平阵列碳纳米管的制备装置设计与搭建
2.1晶圆级超长碳纳米管目标的提出
2.2晶圆级超长碳纳米管制备装置设计
2.2.1反应炉设计
2.2.2反应器结构设计
2.3晶圆级超长碳纳米管制备装置搭建与调试
2.3.1制备装置与过程控制
2.3.2设备调试与整定
2.3.3装置安全性分析评价
2.4小结
第3章超长碳纳米管的生长机理及其在新型反应器中的可控制备
3.1超长碳纳米管及其制备条件
3.1.1超长碳纳米管的制备条件
3.1.2超长碳纳米管形貌
3.2超长碳纳米管的生长机理
3.2.1液相催化剂的定向进化选择性控制
3.2.2顶部生长超长碳纳米管的传质双球动力学模型
3.3新型反应器内超长碳纳米管的可控制备
3.3.1含水量对生长的影响
3.3.2氢烷比对生长的影响
3.3.3反应气速对生长的影响
3.3.4基底在反应器内位置对生长的影响
3.3.5生长次数对生长的影响
3.3.6反应器积碳与清洁方法对生长的影响
3.4超长碳纳米管的批量化制备与大面积生长
3.4.1批量化超长碳纳米管制备
3.4.2大面积超长碳纳米管的制备与表征
3.4.3催化剂预沉积方法实现大面积高密度碳纳米管制备
3.5小结
第4章高纯度半导体性超长碳纳米管的可控制备
4.1金属性与半导体性碳纳米管的衰变行为
4.1.1超长碳纳米管结构随长度的变化
4.1.2金属性与半导体性碳纳米管半衰期差异
4.1.3碳纳米管长度决定的半导体性碳纳米管纯度控制
4.2高纯度半导体性碳纳米管阵列的制备与纯度验证
4.3超长碳纳米管的液相催化剂模板与结构进化
4.4高性能半导体性碳纳米管电子器件
4.5小结
第5章高密度单色碳纳米管线团的原位组装
5.1单色碳纳米管线团的原位组装与结构调控
5.1.1声波辅助卷绕碳纳米管的机理
5.1.2碳纳米管线团的声辅助制备
5.1.3磁控气流编织法制备碳纳米管线团
5.2单色碳纳米管线团的高效分拣
5.3单色碳纳米管线团的电子器件
5.4小结
第6章展望
参考文献
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| 內容試閱：
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海量信息的高效采集和处理技术是建设科技强国的核心。量子计算利用量子力学中的叠加态和量子纠缠对信息进行存储和处理，具有传统计算无法比拟的超强计算能力，在大数据、云计算、机器学习、基因设计等领域具有广泛的应用前景，这推动了开发专门的、节能的电子硬件的需求，是多国政府和高科技公司竞相投资的研究领域。尽管很多科技公司、科研院所陆续开发类脑与专用计算芯片，尝试从硬件架构层面提升性能，然而硅基电子芯片的能效和算力仍然受制于数字电路的本征瓶颈。随着电子晶体管的尺寸逐渐逼近量子隧穿效应的物理极限，单位面积能够集成的晶体管数目增长缓慢，数字电路工作频率停滞在GHz，摩尔定律不再保持之前的增速，这些都意味着传统电子计算的性能和能效增长已经难以满足智能应用需求的指数增长。因此迫切需要开发新的材料平台工程并探索与之匹配的器件架构。特别是随着5G的到来，终端设备对半导体器件性能、效率、小型化的要求越来越高。半导体材料将有革命性的变化，也进一步推动了以碳纳米管为代表的新型高迁移率电子材料的研发浪潮。
在“后硅时代”的众多材料中，碳纳米管是一类独特的狄拉克材料，其线性或准线性的能量与动量低能色散关系，使其具有优异的电子、空穴高迁移率，成为下一代高速半导体的理想候选材料。实现碳纳米管在高性能电子器件领域应用的前提是批量可控制备大面积、高半导体纯度、结构完美的超长碳纳米管。本书深入分析了超长碳纳米管的生长机理，发现液相催化剂界面与碳纳米管手性之间的随机分布规律，从热力学角度揭示了定向进化策略对超长碳纳米管结构控制的关键作用。另外，建立顶部生长传质双球模型，证明提高碳纳米管动力学速度的关键在于缩小催化剂表面外扩散和毒化过程的活化能差异。进一步地，设计了具有窄径向高度的新型微通道层流反应器，通过控制反应过程中的温度和气体环境，有效提高了催化剂活性概率并抑制毒化，实现了超长碳纳米管在4 in硅晶圆表面的大面积生长，最大碳纳米管长度达到650 mm，并采用催化剂预沉积方法将碳纳米管阵列密度提高至10根/μm。分别统计晶圆表面金属性和半导体性碳纳米管的数量随长度的变化，发现金属性和半导体性碳纳米管均满足Schulz-Flory分布规律，但半导体性碳纳米管的半衰期长度是金属性碳纳米管的10倍，由此提出依靠分子进化调控碳纳米管长度实现半导体纯度控制的技术路线，在碳纳米管长度达到154 mm处实现99.9999%半导体性碳纳米管的可控制备，所构筑的晶体管器件开关比为108，迁移率大于4000 cm2/（V·s），展现了高性能半导体特性。此外，发展了一套碳纳米管原位操纵与组装的策略，利用声场辅助或磁控气流编织的方法原位卷绕分米级长度碳纳米管制备0.1 mm2单色碳纳米管线团，瑞利散射证明这种碳纳米管线团具有单一颜色和全同手性，并可以根据其颜色进行手性碳纳米管筛选与分离。采用半导体性碳纳米管线团所构筑的晶体管器件实现了基于单根碳纳米管的最高输出电流记录4 mA，开关比106，为高长径比纳米线的操纵和高性能碳纳米管电子器件研究提供了一个全新的思路。
关键词： 碳纳米管； 晶圆级制备； 分子进化； 高纯度半导体； 原位组装
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