Nature子刊：原子尺度设计材料！这项别出心裁的技术给了曙光

背景介绍

自从纳米技术的概念提出以来，设备小型化一直是技术发展的驱动力。纳米制造技术的飞速发展推动了摩尔定律的发展，摩尔定律呈指数增长，导致现在半导体微处理器的计算能力成倍增长，而这些微处理器现在已成为大规模仿真和人工智能的基础。在科学的好奇心和技术的渴求的推动下，电子设备的小型化无疑会持续发展，未来必将需要并最终开发出由原子精确结构的组件和接口组成的设备。因此，科学家们一直期望开发出能够在原子水平上对材料进行工程设计的技术手段。

为了利用原子精确结构的全部功能和性能，将需要比堆叠层更复杂的系统。但是，为实际应用程序组装原子定义的构建基块并非易事。虽然有机分子允许在原子水平上对其结构进行调整，但对单个分子的操作需要低温和超高真空等苛刻条件。尽管可以将单个半导体纳米结构集成到电子和光子器件中，但以原子精度制备相同的结构的重复性仍然是一个挑战。

碳纳米管（CNT）是一种非常有潜力的材料，具有独特的光电物理性质，在发光二极管、单电子晶体管或单光子源等领域中具有广阔的应用前景。假设在组装过程中能够保留了CNT的固有特性，实现对CNT的手性、位置和取向的同时控制，则有望使利用原子上精确的组件制造器件成为可能。然而，由于使用溶剂或高温处理不可避免地使CNT“变脏”，从而妨碍了它们的光学特性，因此难以精确地操纵分子。

成果简介

为了解决这个问题，来自日本RIKEN先进光子学中心的Yuichiro K. Kato和Keigo Otsuka等人开发出一种全新的、通用的干转移技术，该技术可以在没有溶剂的情况下在原子尺度对CNT进行工程设计，并精确定位光学质量的CNT。

在该项工作中，研究人员通过使用单晶蒽作为牺牲材料，可以将CNT转移到任意衬底上，并且通过升华除去蒽，留下清洁的CNT，从而实现CNT原始的明亮的光致发光。同时，研究人员能够在原位光学监控下以亚微米精度定位具有所需手性的CNT，从而证明了CNT与光子晶体纳米束腔之间的确定性耦合。此外，还通过重复CNT转移来设计和构造交叉结结构，并观察到管间激子转移。

上述研究成果意味着科学家朝开发由原子精确组件和接口组成的设备迈出了的重要一步。该工作以“Deterministic transfer of optical-quality carbon nanotubes for atomically defined technology”为题，发表在国际著名期刊《Nat. Commun.》上。

要点解读

要点一利用蒽作为牺牲材料来确定光学质量的CNT的确定性转移

研究人员建立了一个传输系统，以实现在纳米管传输过程中监控纳米管PL，激光反射和宽视场光学图像。

首先，研究人员使用玻璃支撑的聚二甲基硅氧烷（PDMS）片提取蒽单晶（图1b）。其中，PDMS的粘弹性可用于调节对蒽晶体的粘附力，从而拓宽了纳米管生长基质和接收基质的材料和形状的选择；

随后，通过将蒽/ PDMS压模压在具有生长中的CNT的基材上来拾取CNT（图1c），然后快速分离（> 10 ⁶ mm / s），以使蒽晶体保持附着在PDMS板上；当需要选择特定手性的CNT时，在蒽晶体上进行CNT的PL映射（图1d）。然后将压模压在接收基板上，通过缓慢剥离PDMS（<0.2μm/ s），带有碳纳米管的蒽晶体被释放到基板上（图1e）；

最后，空气中蒽的升华会在任何基材上留下干净的CNT（图1f，g），因为在全干过程中不会受到溶剂的污染。

图1. 蒽辅助的CNT干转移技术流程

研究结果表明，干转移后的纳米管具有明亮的光致发光，其亮度高达原始分子的5000倍，这一质量使其成为光学器件的理想选择。

图2. 转移的CNT的光亮PL性能

要点二该技术具有通用性，可以将CNT转移到任意衬底上

在该工作中，研究人员通过使用单晶蒽作为牺牲材料，可以将CNT转移到任意衬底上，如石英、PMMA、PS等。并且通过升华除去蒽，留下清洁的CNT。

在所有研究的底物中，生长中的悬浮式CNT发出的荧光最明亮，最清晰。此外，该小组能够将纳米管精确定位在纳米级光学谐振器的顶部，从而增强了发光性能。

图3. 各种衬底表面上的CNT的PL特性

要点三通过重复CNT转移来设计和构造交叉结结构，观察到管间激子转移。

最后，研究人员还利用转移技术构建了包含多个CNT的交叉结结构：从石英基板中拾取的CNT中发现了（13,5）管，随后将垂直于预传输的（10,5）管调整角度，最后将（13,5）管和蒽晶体释放到芯片上的（10,5）纳米管上。

结果发现，在较细的（10,5）管中生成的较高能的激子在转移到另一个纳米管之前会朝着交叉结扩散。这意味着通过该方法能够提取受控界面处的管间激子动力学。

图4. 包含多个CNT的交叉结结构的特性表征

论文第一作者Keigo Otsuka表示：“我们相信，这项技术不仅可以为具有所需性能的碳纳米管制造纳米器件做出贡献，而且可以为基于原子级精确结构的材料和其他更高阶纳米结构的自由组合开辟了新的道路。”

文献信息

Otsuka, K., Fang, N., Yamashita, D. et al. Deterministic transfer of optical-quality carbon nanotubes for atomically defined technology. Nat Commun 12, 3138 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23413-4

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