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《C3N纳米管中的热传输:与碳纳米管的比较研究》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2019-04-09

  • 一维纳米管，如碳纳米管(CNT)和C3N纳米管(C3NNT)，由于其优异的电学和热学性能，正引起越来越多的研究兴趣。本文利用经典的分子动力学模拟方法，对单壁碳纳米管与单壁碳纳米管的热输运进行了比较研究。我们首先观察到C3NNT的导热系数(k)低于CNT。由于C3NNT的N个原子中的声子散射，能量在N个原子周围局域化。在CNT和C3NNT中，k随温度升高呈单调下降趋势，说明Umklapp声子散射较强。然后，将- 10%到14%的单轴应变施加到纳米管上，纳米管的导热系数先增大后减小。利用声子态密度、声子色散、参与比、能量空间分布等分析了纳米管中的声子行为。这项工作为CNT和基于C3NNT的纳米电子学的热管理提供了基础的热物理知识。

    ——文章发布于2019年4月8日

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  • 《碳纳米管：个性十足的神奇材料》
    • 来源专题：中国科学院文献情报先进能源知识资源中心 |领域情报网
    • 编译者：guokm
    • 发布时间：2018-07-27
    • 　　近日，中国科学技术大学化学与材料学院杜平武教授课题组，首次利用纳米管稠环封端“帽子”模板，构建出纵向切割的纳米管弯曲片段。这种通过三个弯曲型分子连接两个石墨烯单元的方法，可直接得到纳米笼状结构，为构建封端锯齿型碳纳米管提供了新思路。相关研究成果发表在最新一期《德国应用化学》上。 　　无独有偶。几乎在同时，以研制出世界上第一颗原子弹而闻名于世的洛斯阿拉莫斯实验室的研究人员，使用功能化碳纳米管生产出首个能在室温下使用通信波长发射单光子的碳纳米管材料。神奇材料碳纳米管，为何如此受各国科学家追捧？ 　　空间结构像“挖空的足球” 　　1985年，“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光。将“足球”挖空，保持表面的五角和六角网格结构，再沿着一个方向扩展六角网格，并赋予平面网格以碳—碳原子和共价键，就形成了具有中空圆柱状结构的碳纳米管。 　　碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料。其主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管，层与层之间保持固定的距离，约0.34纳米，直径一般为2—20纳米。 　　“可以将碳纳米管联想为头发丝，而实际上它的直径只有头发丝的几万分之一，即几万根碳纳米管并排起来才与一根头发丝相当。”杜平武教授告诉科技日报记者，作为典型的一维纳米结构，单层碳原子和多层碳原子网格卷曲而成的单壁与多壁碳纳米管，直径通常为0.8—2纳米和5—20纳米，目前报道的最细碳纳米管直径可小至0.4纳米。 　　杜平武告诉记者，碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成，因此按照石墨烯片的层数可分为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。若依其结构特征，碳纳米管则可分为扶手椅形纳米管和锯齿形纳米管等几种类型。 　　制备方法是挑战 　　“通常的碳纳米管制备方法主要有电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。”杜平武告诉记者，电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现的碳纳米管。“这种方法比较简单，但很难得到纯度较高的碳纳米管，并且得到的往往都是多层碳纳米管，而实际研究中人们往往需要的是单层碳纳米管。” 　　“随后科研人员又发展出了化学气相沉积法，在一定程度上克服了电弧放电法的缺陷，得到的碳纳米管纯度比较高，但管径不整齐，形状不规则。”杜平武说，后续逐步发展起来的固相热解法等，均受限于环境和条件。 　　“碳纳米管的制备过程与有机合成反应类似，其副反应复杂多样，很难保证同一炉碳纳米管均为扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管。”杜平武说，在强酸、超声波作用下，碳纳米管可以先断裂为几段，再在一定纳米尺度催化剂颗粒作用下增殖延伸，而延伸后所得的碳纳米管与模板的卷曲方式相同。 　　“如果通过类似于DNA扩增的方式对碳纳米管进行增殖，那么只需找到少量的扶手椅形纳米管或锯齿形纳米管，便可在短时间内复制、扩增出数量几百万倍于模板数量的、同类型的碳纳米管。”杜平武说，这可能会成为制备高纯度碳纳米管的新方式。 　　性能及尺寸超越硅基材料 　　“碳纳米管具有完美的一维管式结构，碳原子以碳—碳共价键结合，形成自然界中最强的化学键之一，因此轴向具有很高的强度和韧性。此外六角平面蜂窝结构围成的管壁侧面没有悬挂键，所以碳纳米管具有稳定的化学特性。”杜平武说，碳纳米管优异的性能表现在电学、热学和光学等方面，具有超越传统的导电、导热特性等等。 　　2013年，斯坦福大学科学家制备了由平行排列的单壁碳纳米管为主要元器件的世界上最小“计算机”。近两年，碳纳米管电子器件的性能及尺寸又一次次被突破，势在超越并最终取代目前商用的硅基器件。 　　碳纳米管还可以制成透明导电的薄膜，用作触摸屏的替代材料。且原料是甲烷、乙烯、乙炔等碳氢气体，不受稀有矿产资源的限制。碳纳米管触摸屏具有柔性、抗干扰、防水、耐敲击与刮擦等特性，可以做成曲面，已在可穿戴装置、智能家具等领域得到应用。 　　碳纳米管还给物理学家提供了研究毛细现象的最细毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应的最细试管，科学家甚至研制出能称量单个原子的“纳米秤”。“我国在碳纳米管材料的基础研究方面处于领先地位，结构均一性的控制方法和理论不断创新，控制指标也逐年刷新。”杜平武说。
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  • 《基于碳纳米管的柔性集成电路》
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    • 编译者：husisi
    • 发布时间：2020-10-14
    • 柔性集成电路作为信息处理的核心单元，是实现全柔性电子系统的重要组成部分，由于其应用形式的扩展，与现有的混合柔性系统（部分或全部基于刚性硅片）相比具有优势，更好的适应性，以及在生物/非生物界面操作的能力。最终集成系统的可交付功能在很大程度上取决于柔性集成电路的信息处理能力，这在很大程度上取决于其性能和集成规模。此外，随着柔性电子系统在便携式，可穿戴或远程形式且电源受限的应用中变得越来越受欢迎，柔性集成电路的功耗变得至关重要，因为它们会消耗系统中的大量能量。由于在热预算较低且工作环境复杂的柔性基板上的制造环境受到限制（从机械和电气条件的角度来看），因此，寻求具有高性能，合理的集成规模和低功耗的柔性集成电路非常具有挑战性，但是对于高级的，完全灵活的系统而言，这是必需的。生物相容性，可降解性和可配置性等其他特征将为柔性集成电路增加价值，并为柔性电子产品引入非常规形式和新的可交付成果。 本文，北京大学胡又凡课题组在《 Acc. Mater. Res》期刊发表了“Flexible Integrated Circuits Based on Carbon Nanotubes”的论文，该文献总结了过去五年我们在发展碳纳米管基柔性集成电路方面所做的努力。作为制造下一代芯片的有希望的候选材料，碳纳米管集成电路在性能和功耗方面已经显示出其优越性，我们通过材料优化、器件设计、加工技术开发，将这些进步扩展到一种灵活的形式，我们从简单介绍碳纳米管的特性入手，揭示其作为下一代电子器件沟道材料的内在优势。接下来，我们讨论了我们开发的制造方法，通过直接制造或转移工艺在柔性基板上构建集成电路，以保持这些优势并使电路适合不同的应用环境。然后，介绍了不同形式和特性的碳纳米管基柔性集成电路，包括： （1）在超薄高性能衬底上植入互补金属氧化物半导体电路， （2） 具有生物集成能力和低功耗的可转移集成电路； （3）高产量、高均匀性的可降解集成电路； （4）多功能可配置集成电路。还介绍了用这些电路构成的集成柔性传感器系统。 最后，我们以对碳纳米管在柔性集成电路和新型电子产品中所面临的挑战和新机遇的概述来结束这篇文章。 图1.具备功能的柔性IC的CNT的关键属性 图2.（a）在柔性基板上直接制造器件的过程。 （b）CAED实验装置的示意图。 （c）照片显示了用电子设备制造的超薄聚对二甲苯基板的分层过程。比例尺，1厘米。平均分层速度 （d）施加电压， （e）NaCl浓度 （f）硅片倾斜角的函数。 （h）照片显示用金电线沉积的PI，PMMA和SEBS薄膜分层。 图3.（a）CNT CMOS结构的截面图。 （b）在分层之后测量的100个p型TFT和100个n型TFT 的V th的传递特性和统计分布。（d）在卷制前后的TFT的转印特性。插图：正在滚动的系统照片。比例尺，200μm。 （e）典型CMOS反相器的VTC。 （f）随着V dd的增加，三级RO的振荡频率变化。插图：RO的照片。比例尺，100μm。（g）附着在皮肤上以进行汗液监测的集成传感器系统的照片。比例尺，1厘米。 （h）集成传感器系统的电路图和（i）频率-湿度曲线。 图4.（a）转移到任意非常规衬底上的器件和IC。 （b）I 开 / I 关和（c）I 关 / W对100个已转移设备的统计分布。插图（c）：V th的统计分布。 （d）100个逆变器的VTC。插图：电路图。 （e）这些逆变器的峰值分布和最低功耗。 （f）全加法器的光学图像和（g）输入-输出特性。 图5.（a）基于CNT薄膜的可降解器件的晶圆级制造。 （b）转移前晶片上10个芯片的空间分布， （c）这些芯片的器件良率。 （d）芯片10中100个TFT的传输特性。 （e）V th的对应统计分布。 （f）不同转移码片之间的V th统计。 （g）附着在植物叶片上的传感平台的光学图像和电路图。比例尺，1厘米。 （h）实时监测模拟生态系统。 （i）一系列图像显示了人工降雨下感应平台的退化过程。比例尺，1厘米。 图6.（a）DMG设备的剖视图。 （b）不同V ds下典型DMG设备的传输特性。插图：DMG设备（红色曲线）和NG设备（蓝色曲线）的示意性能带结构。 （c）DMG和NG设备之间的I off / W比较。 （d）二极管配置下典型DMG设备和NG设备的I – V曲线。 （e）78种DMG设备的整流比的统计分布。 （f）具有两个DMG器件和一个电阻器的可配置柔性IC的等效电路图， （g）光学图像和（h）动态输入-输出特性 碳纳米管作为一种非常有前途的下一代芯片的候选材料，在柔性集成电路中的应用也显示出了其优越性，这不仅体现在它们所获得的高性能上，与刚性衬底上的同类产品相匹配，而且还表现出所需的兼容性和适应性适合各种新兴应用。对于构造用于处理模拟信号的电路，要求器件具有大跨导（以获得更好的放大能力），寄生电容/电阻小（用于提高采样率和采样速度），器件之间的参数偏差可忽略不计。在数字电路的构造中，为了使电路具有更好的抗噪声能力，扇形输入/扇出、正确的时序逻辑输出和级联能力等问题越来越受到重视。使更强大的柔性集成电路能够构建完全灵活的集成系统，将释放出柔性电子的真正力量，它可以在各种应用领域提供突破，例如先进的监测、诊断和治疗形式。
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