低维异质结材料由于其原子级平滑的表面和内界面，在纳米电子学中扮演着重要角色。传统制备异质结的方法，以在生长过程中控制生长参数的变化为主，如改变温度、气源等。然而，由于对生长参数分布的控制不够充分及纳米尺度下的热力学涨落等因素，通过预设条件的开环控制方法难以对异质结的位置、结构等做出精确控制。过去的十数年内，尽管研究者们对低维材料的生长机理做了细致的研究，但鲜有对生长过程进行原位监测和即时反馈方面的探索。
最近，低维量子物理国家重点实验室博士生刘泽斌同学及合作者们，提出了智能合成的概念，即通过原位监测和反馈式干预的闭环控制实现材料的自动和精确合成。以碳纳米管水平阵列的生长为例，研究者在其生长衬底上构建了耐高温电路（图 1），以实现生长的原位监测，并且以先前报导的反转外电场诱发碳管再成核的方法作为反馈式介入，从而实现对碳管生长的智能控制。
图1 耐高温探测和反馈电路的结构示意图。探测和反馈两组电极由钼构建，并通过超顺排碳纳米管胶带和氮化硼/碳纳米管导线实现生长时与外电路的连接。
在碳纳米管生长过程中，通过将探测电极与锁相放大器（提供4 毫伏电压）串联，监测碳纳米管无序网络的渗流信号，并配合向反馈电极加-40伏直流电压来终止生长，研究者首先确认了碳纳米管水平阵列生长阶段的时间线（图 2）。通过对三个特征时间节点，即网络生长开始（t1）、阵列生长开始（t2）及阵列生长结束（t3）进行统计，研究者们发现了即使是在相同的生长参数下，这些时间节点在不同生长批次间也有较大差别（10秒左右），且阵列生长的时间窗口（t3- t2）极短（5秒左右）。这说明如果缺少了原位监测是难以实现对异质结生长位置的精确控制的。在此基础上，研究者们还将以电场终止生长和传统的以降温、切断生长气源来终止生长的结果进行了对比，发现后者比前者存在一个明显的延迟，利用电场终止生长可以实现对碳纳米管生长状态的即时锁定。
图2 碳纳米管水平阵列生长阶段的探测。(a)三个生长阶段的示意图。(b)生长过程中锁相放大器的电流读数。(c)生长阶段节点t1、t2和t3的统计分布
为了实现对碳管阵列生长开始时间（t2）的 测量，研究者们利用另一组耐高温电路，直接测量碳管阵列刚生长出来并接触到探测电极后导致的电流阶跃变化，所测得的电流阶跃时刻即代表阵列生长开始的准确时间。在阵列生长开始的同时，或是少许延时后，向反馈电极加-150伏200毫秒的脉冲电压即可产生脉冲电场使得生长中的碳管产生手性转变。如果不加延时，则生长产物为纯半导体碳纳米管阵列；如果加入延时，则产物为金属-半导体管内手性结阵列，且手性结的位置可由延时调控（图 3）。利用上述可编程流程，研究者实现了碳纳米管阵列的智能合成。相较较传统方法，智能合成对于异质结位置的时间分辨控制能力提高了20到100倍（图 4）。
图 3 碳纳米管水平阵列的智能合成。(a)碳管阵列监测反馈耐高温电路示意图。(b)生长过程中源表的电流读数。(c)用以诱发手性转变的电压示意图。(d)智能合成碳管阵列的流程图。(e)- (g)不同延时下生长的碳管阵列的扫描电子显微镜表征，图中标尺为5微米。
图 4 合成低维异质结的时间控制分辨率。(a)手性结的位置随延时的变化。(b)不同方法的时间分辨控制能力关于生长速率的分布对比。
这一工作已于2021年10月15日在《Journal of the American Chemical Society》杂志上在线发表（Toward an Intelligent Synthesis: Monitoring and Intervening in the Catalytic Growth of Carbon Nanotubes, J. Am. Chem. Soc. 2021, 143, 42, 17607–17614）。清华大学物理系博士生刘泽斌同学为论文的第一作者，清华大学物理系姜开利教授、柳鹏副研究员以及麻省理工学院博士后研究员王江涛博士为论文的共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划（2018YFA0208400）、国家自然科学基金（51727805和51788104）以及北京市未来芯片技术高精尖创新中心（ICFC）的资助。
全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c07598?ref=pdf
