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背景介紹

自從納米技術的概念提出以來，設備小型化一直是技術發展的驅動力。納米制造技術的飛速發展推動了摩爾定律的發展，摩爾定律呈指數增長，導致現在半導體微處理器的計算能力成倍增長，而這些微處理器現在已成為大規模仿真和人工智能的基礎。在科學的好奇心和技術的渴求的推動下，電子設備的小型化無疑會持續發展，未來必將需要并最終開發出由原子精確結構的組件和接口組成的設備。因此，科學家們一直期望開發出能夠在原子水平上對材料進行工程設計的技術手段。

為了利用原子精確結構的全部功能和性能，將需要比堆疊層更復雜的系統。但是，為實際應用程序組裝原子定義的構建基塊并非易事。雖然有機分子允許在原子水平上對其結構進行調整，但對單個分子的操作需要低溫和超高真空等苛刻條件。盡管可以將單個半導體納米結構集成到電子和光子器件中，但以原子精度制備相同的結構的重復性仍然是一個挑戰。

碳納米管（CNT）是一種非常有潛力的材料，具有獨特的光電物理性質，在發光二極管、單電子晶體管或單光子源等領域中具有廣闊的應用前景。假設在組裝過程中能夠保留了CNT的固有特性，實現對CNT的手性、位置和取向的同時控制，則有望使利用原子上精確的組件制造器件成為可能。然而，由于使用溶劑或高溫處理不可避免地使CNT“變臟”，從而妨礙了它們的光學特性，因此難以精確地操縱分子。

成果簡介

為了解決這個問題，來自日本RIKEN先進光子學中心的Yuichiro K. Kato和Keigo Otsuka等人開發出一種全新的、通用的干轉移技術，該技術可以在沒有溶劑的情況下在原子尺度對CNT進行工程設計，并精確定位光學質量的CNT。

在該項工作中，研究人員通過使用單晶蒽作為犧牲材料，可以將CNT轉移到任意襯底上，并且通過升華除去蒽，留下清潔的CNT，從而實現CNT原始的明亮的光致發光。同時，研究人員能夠在原位光學監控下以亞微米精度定位具有所需手性的CNT，從而證明了CNT與光子晶體納米束腔之間的確定性耦合。此外，還通過重復CNT轉移來設計和構造交叉結結構，并觀察到管間激子轉移。

上述研究成果意味著科學家朝開發由原子精確組件和接口組成的設備邁出了的重要一步。該工作以“Deterministic transfer of optical-quality carbon nanotubes for atomically defined technology”為題，發表在國際著名期刊《Nat. Commun.》上。

要點解讀

要點一利用蒽作為犧牲材料來確定光學質量的CNT的確定性轉移

研究人員建立了一個傳輸系統，以實現在納米管傳輸過程中監控納米管PL，激光反射和寬視場光學圖像。

首先，研究人員使用玻璃支撐的聚二甲基硅氧烷（PDMS）片提取蒽單晶（圖1b）。其中，PDMS的粘彈性可用于調節對蒽晶體的粘附力，從而拓寬了納米管生長基質和接收基質的材料和形狀的選擇；

隨后，通過將蒽/ PDMS壓模壓在具有生長中的CNT的基材上來拾取CNT（圖1c），然后快速分離（> 10 ⁶ mm / s），以使蒽晶體保持附著在PDMS板上；當需要選擇特定手性的CNT時，在蒽晶體上進行CNT的PL映射（圖1d）。然后將壓模壓在接收基板上，通過緩慢剝離PDMS（<0.2μm/ s），帶有碳納米管的蒽晶體被釋放到基板上（圖1e）；

最后，空氣中蒽的升華會在任何基材上留下干凈的CNT（圖1f，g），因為在全干過程中不會受到溶劑的污染。

圖1. 蒽輔助的CNT干轉移技術流程

研究結果表明，干轉移后的納米管具有明亮的光致發光，其亮度高達原始分子的5000倍，這一質量使其成為光學器件的理想選擇。

圖2. 轉移的CNT的光亮PL性能

要點二該技術具有通用性，可以將CNT轉移到任意襯底上

在該工作中，研究人員通過使用單晶蒽作為犧牲材料，可以將CNT轉移到任意襯底上，如石英、PMMA、PS等。并且通過升華除去蒽，留下清潔的CNT。

在所有研究的底物中，生長中的懸浮式CNT發出的熒光最明亮，最清晰。此外，該小組能夠將納米管精確定位在納米級光學諧振器的頂部，從而增強了發光性能。

圖3. 各種襯底表面上的CNT的PL特性

要點三通過重復CNT轉移來設計和構造交叉結結構，觀察到管間激子轉移。

最后，研究人員還利用轉移技術構建了包含多個CNT的交叉結結構：從石英基板中拾取的CNT中發現了（13,5）管，隨后將垂直于預傳輸的（10,5）管調整角度，最后將（13,5）管和蒽晶體釋放到芯片上的（10,5）納米管上。

結果發現，在較細的（10,5）管中生成的較高能的激子在轉移到另一個納米管之前會朝著交叉結擴散。這意味著通過該方法能夠提取受控界面處的管間激子動力學。

圖4. 包含多個CNT的交叉結結構的特性表征

論文第一作者Keigo Otsuka表示：“我們相信，這項技術不僅可以為具有所需性能的碳納米管制造納米器件做出貢獻，而且可以為基于原子級精確結構的材料和其他更高階納米結構的自由組合開辟了新的道路。”

文獻信息

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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