一、研究背景
一維單臂碳奈米管（CNT）由六方鍵合的sp2碳原子組成的一維螺旋管狀分子結構，可看作由二維石墨烯片按一定方向捲曲而成。CNT憑藉優異的力學效能和電學效能稱為未來科技的核心。其中，力學效能方面，被NASA稱為是唯一有望製造“太空天梯”，並實現人類“太空夢”的材料。在電學方面，碳奈米管具有極高的載流子遷移率，有研究表明用CNT製備出的計算機的執行速度遠超目前的所有計算機。CNT具有巨大的研究價值。
天空天梯
碳奈米管量子計算機
然而，碳奈米管結構的精確控制以及大批次生產上仍是一項重大的研究課題。其中一個關鍵的科學問題就是單一碳奈米管的手性控制。研究表明，金屬和半導體奈米管之間的分子結也可以作為奈米級電子器件的基礎，分子內CNT結具有類似整流二極體的非線性傳輸特性。這些結在奈米管生長過程中隨機出現的缺陷處形成。機械應變可以改變電子特性，理論上，塑性應變可以改變CNT的手性，從而形成分子內奈米管結。在實驗上，已經報道了透過塑性變形對CNT手性進行改性，但這些轉變以及由此產生的電學性質並沒有被控制，而是被認為是由不同手性結構之間的微小能量差異引起的隨機跳躍。
二、研究成果
針對這一問題，日本材料科學中心Dai-Ming Tang研究團隊報道了一種碳奈米管分子內電晶體的設計和製造，其中區域性手性是透過在透射電子顯微鏡（TEM）內以受控的方式透過熱機械加工改變的。對金屬性碳奈米管進行熱機械加工，導致內部段發生手性轉變，從而形成分子內奈米管電晶體。這些電晶體的通道長度短至2.8 nm，在室溫下表現出相干量子干涉。相關成果以題為“Semiconductor nanochannels in metallic carbon nanotubes by thermomechanical chirality alteration”發表在了Science上。
三、研究內容
圖1. 碳奈米管電晶體的製備與表徵
該圖展示了碳奈米管電晶體的製備與表徵，可以看出電晶體的長度為2.8 nm，在室溫下具有良好的量子干涉效應。原位TEM方法結合了納米操縱、原子表徵和電晶體測量。使用TEM內的兩個壓電控制探針，對懸浮的單個CNT施加逐步的電、熱和機械刺激。結果表明：CNT透過直接生長或生長後轉移並依附於金屬奈米線或TEM網路的邊緣。在TEM下，從金屬邊緣突出的CNT被發現。奈米管的塑性變形被啟用並在加熱下引起區域性手性變化。這個區域性變形取決於碳奈米管的一維熱傳輸以及與電極的接觸情況。
圖2. 碳奈米管電晶體的金屬-半導體轉變
該圖展示的CNT的製備過程及金屬-半導體的轉變機制，這個CNT的初始直徑為7.7nm,表現為金屬特性。熱機械加工在偏壓為3.0V,電流為6.5 μA脈衝時間為0.1 ms的條件下進行, 經過8次迴圈，通道長度從~15.2 nm增加到~26.1 nm，直徑從~7.7 nm減小到~2.7 nm。CNT的手性發生轉變，並表現出雙極傳輸特性，其中，電子和空穴部分高度對稱。該費米能級位於帶隙中間的金屬奈米管和本徵半導體奈米管之間的分子結處。在另外三次拉伸迴圈後，管直徑進一步減小至~1.7 nm，並且開啟電流所需的柵極電壓變得更高，進一步證實反向加寬的帶隙與碳奈米管直徑成正比。
圖3. 碳奈米管的手性轉變機制
作者透過奈米電子束影象中的層線間距計算出了每個管壁的手性角度。並發現手性角度有向更大角度收斂的趨勢。對於初始手性角度為~9.2°的殼層, 逐漸增加到~23.2°。對於初始手性角度為~24.4°的殼層, 逐漸增加到30°，並在27°-30°之間波動。
四、結論
一般來說，CNT的塑性變形和手性可以歸因於位錯的運動，理論上，均屬於CNT結構中位錯的成核機制，即應力引起的結合鍵跳躍以及熱活性碳二聚體的蒸發。由於結合鍵跳躍以及 Stone-Thrower-Wales缺陷引起位錯的滑移，進而導致手性改變。
五、文獻
文獻連結：
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abi8884
關注『碩博測試圈』，後臺回覆"CNT",領取文獻原文。
