A deep understanding of the interface states in metal–oxide–semiconductor (MOS) structures is the premise of improving the gate stack quality, which sets the foundation for building field-effect transistors (FETs) with high performance and high reliability. Although MOSFETs built on aligned semiconducting carbon nanotube (A-CNT) arrays have been considered ideal energy-efficient successors to commercial silicon (Si) transistors, research on the interface states of A-CNT MOS devices, let alone their optimization, is lacking. Here, we fabricate MOS capacitors based on an A-CNT array with a well-designed layout and accurately measure the capacitance–voltage and conductance–voltage (C–V and G–V) data. Then, the gate electrostatics and the physical origins of interface states are systematically analyzed and revealed. In particular, targeted improvement of gate dielectric growth in the A-CNT MOS device contributes to suppressing the interface state density (Dit) to 6.1 × 1011 cm–2 eV–1, which is a record for CNT- or low-dimensional semiconductors-based MOSFETs, boosting a record transconductance (gm) of 2.42 mS/μm and an on–off ratio of 105. Further decreasing Dit below 1 × 1011 cm–2 eV–1 is necessary for A-CNT MOSFETs to achieve the expected high energy efficiency.

Aligned carbon nanotubes (A-CNTs) have been demonstrated to be promising materials for constructing advanced complementary metal–oxide–semiconductor (CMOS) field-effect transistors (FETs) for future integrated circuits (ICs). However, the requirements of A-CNT materials from the perspective of IC applications, such as the distributions of length, alignment, diameter and density of CNTs, have not been explicitly researched or mentioned before. In this article, we review the progress on CNT electronics and electronic-grade materials and establish material criteria for A-CNTs applicable to advanced electronics according to the developing roadmap of CNT-based ICs. Specifically, electrical performance predictions for A-CNT CMOS FETs at various technology nodes are built based on a theoretical model and experimental results, and then, the criteria for ideal A-CNTs are outlined by evaluating the energy-delay product (EDP) advantage of CNT FETs over similar node commercial silicon (Si)-based CMOS transistors. The fine requirements for A-CNT materials are estimated for 90 nm, 22 nm, 7 nm, and 3 nm node CNT CMOS FETs, which present significant advantages in terms of energy efficiency over Si CMOS transistors. The criteria will guide the development of CNT materials for future ICs and provide a comprehensive assessment of the opportunities and challenges in CNT electronics.

High density and high semiconducting-purity single-walled carbon nanotube array (A-CNT) have recently been demonstrated as promising candidates for high-performance nanoelectronics. Knowledge of the structures and arrangement of CNTs within the arrays and their interfaces to neighboring CNTs, metal contacts, and dielectrics, as the key components of an A-CNT field effect transistor (FET), is essential for device mechanistic understanding and further optimization, particularly considering that the current technologies for the fabrication of A-CNT wafers are mainly laboratory-level solution-based processes. Here, we conduct a systematic investigation into the microstructures of A-CNT FETs mainly via cross-sectional high-resolution transmission electron microscopy and tentatively establish a framework consisting of up to 11 parameters which can be used for structure-side quality evaluation of the A-CNT FETs. The parameter ensemble includes the diameter, length (or terminal), and density distribution of CNTs, radial deformation of CNTs, array alignment defects, surface crystallography facets of contact metal, thickness distribution of high-k dielectrics (HfO

The jet dynamics of a cavitation bubble near unequal-sized dual particles is investigated employing OpenFOAM, and the effects of the jets on the particles are quantitatively analyzed in terms of their pressure impacts. Different from single-particle cases, the necks that evolve between dual particles are closely linked to the formation mechanism of the jets. Based on the simulation results, the jet dynamics can be divided into five scenarios: (1) the contraction of the annular depression produced by the collision of the two necks causes the bubble to split into two daughter bubbles and generates a single jet inside each daughter bubble; (2) the annular depression impacts the particle, leading to the bubble to fracture and producing a single jet inside a daughter bubble; (3) the bubble is split by a single neck constriction and produces a single jet; (4) the bubble is split by a single neck constriction and generates two jets; and (5) the bubble is split by the contraction of two necks and produces four jets together with three daughter bubbles. As the bubble–particle distance or the radius ratio of the dual particles increases, the maximum force on the small particle generated by the bubble decreases