自然科学奖-基于碳基纳米材料的电子器件项目简介

        以碳纳米管和石墨烯为标志的纳米碳材料被公认为是未来最重要的信息材料之一。项目针对高性能碳基电子学中的一系列重要问题进行了系统深入的研究，取得了如下成果：

        1、碳纳米管的理想n型欧姆接触和弹道场效应晶体管

        高质量电极和半导体材料的欧姆接触是实现高性能电子器件的关键。项目发展了一套半导体纳米材料电学性能和接触研究的定量方法，目前已被国际几十个研究组采用。对于碳纳米管，发现金属Sc和Y可以和碳纳米管的导带形成理想欧姆接触，在此基础上首次制备出性能达到理想弹道极限的n型碳纳米管晶体管，钪成为ITRS推荐的首选n型欧姆电极材料。

        2、碳基纳米器件的理想高κ栅介质

        前期碳基电子器件的发展突显了碳纳米材料和传统高κ栅介质（例如HfO2）结合的困难，这些困难制约了碳基电子学的发展。本项目发展了在石墨烯或者碳纳米管上直接生长高质量氧化钇栅介质薄膜的方法，获得了等效氧化层厚度为1.5纳米的介质层，其电容逼近碳纳米材料的量子电容，创造的栅电容记录保持至今，成为ITRS推荐的唯一碳基器件栅介质材料，已被法国、美国等研究组用于构建包括高性能柔性电子器件在内的纳电子器件

        3、高性能碳纳米管CMOS器件和集成电路的无掺杂制备技术

        传统半导体材料的电学性能是通过掺杂来控制的，但是对碳纳米管进行有效的可控掺杂是极其困难的。本项目提出可以通过控制电极材料来选择性地向碳纳米管注入电子或空穴，进而实现控制晶体管极性的理念，完全放弃了传统半导体技术中通过掺杂来控制器件电学性能的最核心的技术基础。在实验室首次实现了碳纳米管无掺杂高性能完美对称的CMOS电路的制备，并用比CMOS逻辑效率更高的传输晶体管逻辑设计和实现了纳米运算器所需的全部电路，包括目前逻辑电路复杂度最高的纳米全加器，而且将电路的驱动电压降至0.4V的水平。这种低功耗技术在最近发表在《自然》杂志的题为"碳纳米管晶体管之路"的评论文章中，被视为是追求基于碳纳米管晶体管计算技术的最重要的推动力之一。

        4. 高性能碳纳米管光电器件与集成

        本项目通过选取非对称接触电极，在碳纳米管上构建成功了有效的pn结，在此基础上，进一步通过在碳纳米管上引入虚电极，创造性地构建出了碳纳米管级联电池，在一根10微米长的碳纳米管上实现了光电压的5倍增，获得了超过1V的光电压。表明在碳管上仅需通过选择电极组合即可实现完美的电子和光电子器件集成，有望发展成一整套具有自主知识产权的碳基纳米集成电路制备技术。相关工作入选2011年度中国科学十大进展。

        项目历时十余年，发表重要SCI论文50余篇。8篇发表在《自然光子学》、《自然通讯》等杂志上的代表性论文被《自然》、《科学》、《自然纳米技术》等顶级期刊上发表的SCI论文他引512次，其中3篇入选 Thompson ESI相关领域近十年高被引用论文,相关成果被8次写入国际半导体技术路线图（ITRS），入选2011年“中国科学十大进展”，获2013年高校自然科学一等奖。

第三方评价

        本项目提交的8篇代表性论文经北京大学图书馆（教育部科技查新工作站）SCI检索，截止2015年7月，累计被他人引用512次（附件3），其中单篇最高SCI他引161次，3篇论文入选 Thompson ESI相关领域近十年高被引用论文（附件4-1）。

        代表性论文1至3涉及纳米器件欧姆接触的研究和性能优化，这是制备高性能纳米电子器件的基础。代表性论文1和2提出了定量评估纳米器件金属/半导体接触的一般方法，两篇论文分别被SCI论文他引161次和135次，均入选Thompson ESI相关领域近十年高被引用论文（附件4-1）。基于此模型编写的定量分析一维半导体纳米器件输运特性的通用程序PKUMSM目前已经成为该领域的通用程序，被国内外几十个研究组使用。美国佐治亚理工学院的王中林教授在发展柔性压电应力传感器时（代表性引文1），采用了这个模型对实验数据进行定量分析，文章评价“为了确定通过M-S-M结构的电子输运的本质，定量模拟I-V曲线的形状是非常重要的（文献23，24，即本项目的代表性论文1，2）”。

        通过系统的电极材料和接触制备工艺优化，本项目发现金属Sc和Y可以与碳纳米管实现完美的n型欧姆接触（代表性论文3），这项工作得到了国际同行的高度认可。代表性论文3入选Thompson ESI相关领域近十年高引用论文（附件4-1），并作为碳纳米管n型欧姆接触方面唯一的实验工作，被写入2009年国际半导体路线图（ITRS）的“新兴研究材料”报告中（代表性引文2）。发表在Advanced  Materials的一篇关于碳基电子学的综述（代表性引文3）高度评价了代表性论文3，文章写道：“最近，接近完美的对碳纳米管导带的接触通过钪得到实现，使得p型和n型单壁碳纳米管场效应晶体管同时变得可用（文献102，即代表性论文3）”。作为高性能n型碳纳米管器件最重要的代表性工作，代表性论文4被写入2011年国际半导体路线图（ITRS）的“新兴研究器件”报告（代表性引文2）。

        代表性论文4体现了本项目在探索适合于碳纳米材料的高ĸ栅介质和器件极限性能方面的成果。2012年IEEE终身会士Ralph K. Cavin III和德国国家科学与工程院院士Paolo Lugli等人在其联合撰写的发表在Proceedings of the IEEE上的综述文章中（代表性引文4）把代表性论文4作为碳纳米管电子学最新进展的两个代表性工作之一，文章写道“在过去的两年中，人们在制备和表征碳纳米管晶体管方面取得了显著的进步（文献108，109，其中文献109为代表性论文4）”。

        在代表性论文4的启发下，国内外多个研究组也对石墨烯/Y2O3系统展开了广泛的研究，验证了本项目首先得到的关于Y2O3是碳基纳米器件理想栅介质材料这一重要结论。香港科技大学的王宁教授最近通过低温输运测量，证明了采用Y2O3作为栅介质的石墨烯器件迁移率与栅介质制备前相比没有明显下降，电子和空穴的迁移率都超过了20000 cm2/V.s，得到了和代表性论文4同样的结论：“在Y2O3栅介质中仅存在非常低的界面态密度和俘获电荷（文献19,即ACS nano 2011, 5: 2340）”，“表明Y2O3是单层石墨烯场效应晶体管器件的理想栅介质材料”（Nanascale 2013, 5:1116，附件4-4）。作为碳基器件高ĸ介质材料研究的重要进展，代表性论文4被写入国际半导体路线图（ITRS）的“新兴研究器件”报告（代表性引文2）。

        代表性论文5，6，7发展了对称和高效的碳纳米管集成电路技术。最近发表在Science上的一篇评述文章（代表性引文5）将代表性论文5选为控制碳纳米管器件极性的代表性工作，文章评价“作为本征半导体，单壁碳纳米管器件依赖于接触电极的功函数工程，从而产生阻挡电子或者空穴的肖特基势垒（文献12，即代表性论文5）”。作为碳纳米管对称CMOS技术方面的最新进展，代表性论文5被写入2011年ITRS“新兴研究器件”报告（代表性引文2）。美国斯坦福大学的鲍哲南教授也高度评价了这项工作，她们在最近发表的综述文章（Nanascale 2013, 5: 1727，附件4-6）中评价“北京大学丁力等人采用PTL逻辑构建了集成电路，相比CMOS逻辑这种方式极大地简化了电路。例如他们用3对n型的p型晶体管构建了全加器，同样的电路在CMOS中需要28个晶体管。进一步研究下去，这种电路逻辑将简化电路，降低功耗和制造成本（文献193，即代表性论文6）。” 代表性论文7展示了碳纳米管集成电路可以在超低电压下工作。IBM公司的Franklin最近在Nature上发表了名为“碳纳米管晶体管之路”的评述文章（代表性引文8），将代表性论文7发展的低工作电压技术作为碳纳米管电子学最显著的优势之一。

        代表性论文8提出了一种实现碳纳米管级联电池的新方法。被选为2011 年度“中国科学十大进展”（证书见附件4-9）, 并作为2011年中国科学家具有代表性的部分工作被写入了《2012科学发展报告》。

        本项目取得的4项重要成果相互关联，目前已彰显集成效果。最近发表的这个领域的几篇重要综述论文均多篇次引用本项目的结果。例如国际半导体路线图(ITRS) 2011年度“新兴器件研究”报告（代表性引文2）共选择了9项近两年碳纳米管电子器件方面最重要的进展，本项目3项工作（包括代表性论文4和5）被选入其中。ITRS 2013年度“新兴器件研究”报告（代表性引文2）共选择了11项碳纳米管电子器件方面最重要的进展，本项目3项工作被选入其中（包括代表性论文5和6）。Tobin Marks等人在代表性引文6中引用了4篇本项目的工作（包括代表性论文6，8）。美国加州大学伯克利分校的Ali Javey教授在2013年发表在Chem. Soc. Rev.的综述中（代表性引文7）中也引用了4篇本项目的工作，包括代表性论文3，6。该综述将代表性论文3和本项目组的另外一篇工作（Nano Letters 2009, 9: 4209）作为碳纳米管n型接触方面的代表性工作，同时多次引用了代表性论文6，将其作为碳纳米管集成电路的代表性工作。美国IBM公司Watson研究中心在ACS nano上发表了题为“Toward high-performance digital logic technology with carbon nanotube”的综述性文章（ACS nano 2014, 8, 8730），其中引用了6篇本项目的工作（包括代表性论文3，4，6，7），分别代表碳纳米管n型器件、复杂集成电路和栅介质方面的最新进展。

        篇幅有限，感兴趣的读者可通过邮件索取详细论文，联系邮箱：admin@bicic.cn