碳纳米管器件原理和应用

碳纳米管器件原理和

应用

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专业：应用物理

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摘要：

纳米材料被誉为是21 世纪的重要材料，它将构成未来智能社会的四大支柱之一。碳纳米管在纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。碳纳米管具有独特的结构形态和优异的电学、力学等性能，碳纳米管的独特结构和优异的物理力学性能使它成为纳米科技领域中构筑纳尺度器件和系统的重要基础，为纳米科技领域的创新提供着持续强劲的原动力。碳纳米管在各种应用领域中的巨大应用前景，包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件、平板场致发射显示器以及碳纳米管微操作等，碳纳米管独特的结构和优良性能使其在纳米技术和纳米电子学领域扮演着愈来愈重要的角色，本文综述了碳纳米管器件的原理和应用。

关键词：碳纳米管器件、场效应管、单电子晶体管、电磁屏蔽复合材料、聚合物基吸波复合材料、超电容器电极材料、储氢材料、催化剂载体

正文：

一、碳纳米管器件的制备原理

碳纳米管的生长和制备是场致发射显示器研制中关键的一个环节。目前，人们可以利用激光轰击法、化学汽相沉积法、辉光放电法、直流电弧放电法、气体燃烧法、催化剂高温热解法等多种方法制备碳纳米管。在这些技术当中，直流电弧放电法的生产工艺简单，可以大批量生产。虽然目前已经有很多种制备碳纳米管的方法，但是碳纳米管的大量制备仍然是以电弧放电法和高温催化热解法为主。其中电弧

放电法可以获得具有较高程度石墨化结构的碳纳米管，十分适用于理论研究的需要。C.Journet等人采用电弧法的工艺过程如下：在氩气气氛下，利用阴阳两个电极之间的大量放电现象来实现碳纳米管材料的生长。阴极是一个长约100mm、直径大约6mm的石墨棒，上面刻蚀了一个4mm深、3.5mm 直径大小的孔洞，利用金属催化剂和石墨粉末的混合物进行填充。利用大约为100A的高电流来产生电弧放电，通过不断移动阳极，同时保持阴极和阳极之间的间距为常数（大约为3mm）来实现的。典型的生长时间为2min。从SEM的结果看，存在着大量的、相互缠绕的碳纤维材料均匀地分布在至少为几个平方毫米的衬底表面上，碳纳米管的直径为10~20nm，而两个缠绕点之间的平均距离在几个微米左右，但是看不出碳纳米管的顶端。估计碳纳米管的产量在百分之八十左右。

碳纳米管的电学性能，单壁碳纳米管既可表现为金属性，又可表现为半导体性；电子在碳纳米管中可实现弹道式传输，无电子散射发生，无能量损失；碳纳米管的通流能力可以达到109− 1010A/cm2，并在较高的温度下稳定地存在而没有电迁移现象；碳纳米管的电流传输具有螺旋特征，使其磁场分布主要集中在碳管的内部；碳纳米管的场发射特性具有相对低的开启电压和阈值电压、良好的场发射稳定性和长的发射周期；碳纳米管的微波介电特性使其表现出较强的宽带微波吸收性能。碳纳米管的力学性能，比重为钢的1/6，强度为钢的100 倍，杨氏模量可达1000 GPa，比金刚石高好几倍，弹性模量可达 1 TPa；具有高弹性，高的韧性；通过材料的响应，直接把电能转化为机

械能。碳纳米管的热学性能，实验测得单根多壁碳纳米管室温下的热导率可达到3000 W/mK；分子动力学模拟预测单壁碳纳米管的轴向热导率室温下可达到6600 W/mK，与金刚石相当。

二、碳纳米管器件的应用

1、基于碳纳米管场效应管构建的纳电子逻辑电路[1]

首先利用Pt作为源漏电极材料,单壁碳纳米管作为输运沟道的场效应管和扫描电子显微镜，制备基于单壁碳纳米管的p型场效应管的构建。重掺杂的硅片作为基底,其上面热生长一层200 nm厚的二氧化硅作为绝缘层,Si作为门电极,然后采用光刻技术在SiO2上制备Au 电极图案(作为源漏电极的引出).单壁碳纳米管经由1,2_二氯乙烷分散在SiO2表面,随后利用离子束技术沉积一层厚50 nm的Pt,一端连接单壁碳纳米管,另一端则连接作为引出用的Au电极.我们测量了沟道在500 nm)3Lm的多个样品,得到了相似的电学特性测量结果.在制备场效应管的过程中,利用扫描电子显微镜来表征单壁碳纳米管在SiO2上的分散,以选择合适的单壁碳纳米管来作为场效应管的沟道.由于扫描电子显微镜的分辨率限制,难以观察到单根单壁碳纳米管,使得在选择构建场效应管的单壁碳纳米管时无法利用单根的碳纳米管,只能选取由多根单壁碳纳米管的管束作为场效应管的输运沟道.在本中,测量的单壁碳纳米管束的直径大多在10 nm左右。基于掺氮多壁碳纳米管的n型场效应管的构建与p型碳纳米管场效应管的结构相似。

单个p型碳纳米管场效应管的开关电路:图7(a)是单个p型碳纳米管场效应管的开关电路,电源电压为-5 V,偏置电阻为015 M8,取低电

平为-5 V(逻辑1),高电平为0 V(逻辑0),p型场效应管由Pt作为源漏电极,单壁碳纳米管作为沟道,当输入电压Vin= -5 V(逻辑1)时,碳纳米管场效应管处于开启状态,器件的电阻远小于偏置电阻,因此电源电压降在偏置电阻上,输出电压为0 V(逻辑0);当输入电压Vin=0 V(逻辑0)时,场效应管处于截止状态,此时电源电压降在场效应管两端,输出电压为-5 V(逻辑1)。碳纳米管场效应管开关电路的电压传输特性曲线如图7(b)所示.

互补碳纳米管场效应管反相器：图8(a)是互补型碳纳米管场效应管反相器的电路示意图,由一个p型碳纳米管场效应管和一个n型碳纳米管场效应管组成,电源电压为-2 V,n型掺氮碳纳米管场效应管以Pt作为源漏电极,掺氮碳纳米管作为沟道,这两个碳纳米管场效应管在同一个硅片上得到.当输入电压Vin= -5 V时,p型碳纳米管场效应管开启,n型碳纳米管场效应管截止,输出电压为0 V;当输入电压Vin=0 V 时,n型碳纳米管场效应管开启,p型碳纳米管场效应管截止,因而输出电压为-2 V。图8(b)是实际测量的电压传输特性曲线。

2、基于碳纳米管的单电子晶体管[2]

解决传统硅基微电子学的瓶颈的未来出路之一就是单电子晶体管的应用。但是其极低的工作温度严重限制了广泛应用的可能性。科学家们利用弯曲的金属型碳纳米管表现出纳米尺寸的隧穿势垒现象,结合单电子晶体管的结构,将两个金属型碳纳米管的强烈弯曲处组合在一起从而形成一个单电子晶体管。2001年Postma等报道了这种工作在室温下的基于单个金属型碳纳米管分子的单电子晶体管。一根金属型碳纳米管生长在位于Si/SiO2衬底上的Au电极上,然后用AFM的探针沿箭头方向拖动碳纳米管,使其产生两个强烈弯曲,它们之间一段长约25 nm的碳纳米管就形成了一个“库仑岛”。Bachtold等制作了以单壁碳纳米管为基础的场效应管演示逻辑电路,单壁碳纳米管构成的晶体管具有高增效、快速开关、室温可用等特性,而且局部门电路设计可集成多个装置到单个芯片上。Collins等讨论了碳纳米管及碳纳米管集成电路的工程化问题,使碳纳米管在纳米电子器件应用方面又前进了一步。采用简单可靠的方法从多壁碳纳米管和单壁碳纳米管管束