s-SWNT自生长整齐排列半导体性碳纳米管分析——北京大学PKU
碳纳米管的微观结构
碳纳米管的微观结构简介碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs)是一种由碳原子构成的纳米材料,具有极高的强度和导电性能。
它们具有独特的微观结构,由于其在材料科学和纳米技术领域的广泛应用而备受关注。
本文将详细介绍碳纳米管的微观结构及其相关特性。
构成碳纳米管是由一个或多个碳原子层通过特定方式卷曲而成。
根据卷曲方式和结构特点,碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(Single-Walled Carbon Nanotubes,简称SWCNTs)和多壁碳纳米管(Multi-Walled Carbon Nanotubes,简称MWCNTs)两种。
单壁碳纳米管单壁碳纳米管是由一个单一的层级卷曲而成,形如一根中空的圆柱体。
它们可以分为两种不同的结构:带有“扶手椅”形状(armchair)边界的SWCNTs和带有“锯齿”形状(zigzag)边界的SWCNTs。
这两种结构决定了单壁碳纳米管的电子性质和导电性能。
多壁碳纳米管多壁碳纳米管由多个层级的单壁碳纳米管通过共享一个或多个轴向形成。
它们的结构类似于一串同心圆柱体,中间的空腔可以是空的,也可以填充其他物质。
多壁碳纳米管具有比单壁碳纳米管更复杂的结构,因此在某些应用中具有独特的优势。
结晶结构碳纳米管的微观结构与其晶格排列密切相关。
根据碳原子之间的结合方式,碳纳米管可以分为两种不同类型:“绕”型(armchair)和“扭”型(chiral)。
绕型结构绕型结构表示了一种完美对称的晶体排列方式,其中每个碳原子都与其邻近原子以等距离相互连接。
绕型结构通常具有较高的对称性,并且在电子输运和导电性方面表现出色。
扭型结构扭型结构是指在绕型晶格上稍微扭曲一定角度形成的非对称晶格排列。
这种扭曲会引入手性,使得碳纳米管具有不同的电子性质和光学特性。
扭型结构对于某些应用来说非常重要,因为它们可以调节碳纳米管的带隙大小和光学吸收谱。
直径和长度碳纳米管的直径和长度对其性能和应用具有重要影响。
碳纳米管的结构与电子性质研究
碳纳米管的结构与电子性质研究碳纳米管是一种由碳原子形成的纳米级管状结构,具有独特的物理和化学性质,因此引起了广泛的研究兴趣。
本文将从碳纳米管的结构和电子性质两个方面进行论述。
首先,我们来讨论碳纳米管的结构。
碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(SWCNTs)和多壁碳纳米管(MWCNTs)两种类型。
SWCNTs由一个或多个碳原子层卷曲而成,形成一个桶状结构,直径约在1-2纳米的范围内。
而MWCNTs则是多个SWCNTs相互套嵌形成的结构,直径一般在10-100纳米范围内。
碳纳米管的结构与其电子性质密切相关。
SWCNTs可以分为金属型和半导体型两类,这取决于其结构中六个碳原子的相对排列。
金属型SWCNTs在电子能带结构中存在能带重叠,表现出类似金属的导电行为。
而半导体型SWCNTs由于能带间隙使得电子在其内部具有禁带,表现出类似半导体的性质。
MWCNTs由于多个SWCNTs的嵌套结构,其电子性质较复杂。
研究发现,MWCNTs中的内壁SWCNTs往往呈现金属性质,而外壁的SWCNTs则可能呈现半导体性质。
这使得MWCNTs在电子器件的应用中具有较大的潜力。
除了结构,碳纳米管的电子性质也受到很多其他因素的影响。
例如,碳纳米管的手性(chirality)将决定其具体的电子能带结构和性质。
不同手性的碳纳米管对电子的传输行为和电导率存在明显差异。
此外,碳纳米管的直径和壁厚也会对电子性质产生影响。
研究表明,直径较大的碳纳米管具有较好的导电性能,而壁厚较薄的碳纳米管则具有较高的载流子迁移率。
值得注意的是,碳纳米管的电子性质还受到外界环境和相互作用的影响。
例如,碳纳米管与基底的相互作用会改变其电子能带结构和带边对齐。
同时,碳纳米管还可以与其他分子或纳米材料发生作用,形成复合体系。
这些相互作用对碳纳米管的电子性质产生重要的影响,也为其在传感器、催化剂等领域的应用提供了可能性。
最后,需要指出的是,虽然碳纳米管在电子学领域具有巨大的应用潜力,但目前仍面临一些挑战。
碳纳米管是什么材料
碳纳米管是什么材料碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料。
它们具有独特的结构和特性,在材料科学和纳米技术领域引起了广泛的关注和研究。
碳纳米管可以是单壁碳纳米管(SWNT)或多壁碳纳米管(MWNT)。
在单壁碳纳米管中,碳原子以只有一个碳原子厚度的碳层形成管状结构,而在多壁碳纳米管中,形成了多层碳管。
碳纳米管具有许多独特的物理和化学性质,使其成为多个领域的研究热点。
首先,碳纳米管具有优异的力学性能。
由于碳原子之间的强共价键,碳纳米管具有很高的强度和刚度。
尽管碳纳米管的直径非常小,但它们可以以惊人的强度抵抗拉伸和压缩。
这使得碳纳米管成为可能的材料选择,用于构建轻型和高强度材料。
其次,碳纳米管具有优异的导电性能。
碳纳米管的导电性与其结构有关。
SWNT是从一个单一的碳层卷曲而成,因此具有较高的导电性,甚至可以比铜更好。
MWNT由多层碳管组成,导电性较差,但仍然较高。
这种优良的导电性使得碳纳米管成为纳米电子器件的重要组成部分,如场效应晶体管和纳米线。
此外,碳纳米管还具有出色的热导性。
由于碳纳米管的结构,热能可以在其结构的纵向方向上快速传导,而横向方向上的传导受到限制。
这使得碳纳米管成为制造高效热界面材料的理想选择,用于提高电子器件和热管理系统的散热性能。
碳纳米管还具有很强的化学稳定性和抗腐蚀性。
由于碳纳米管是由碳原子构成的,它们对大多数化学物质都具有良好的抗腐蚀性。
这种化学稳定性使得碳纳米管能够在极端的环境条件下使用,例如高温和酸碱溶液中。
由于碳纳米管具有独特的结构和性质,它们在许多领域都有着广泛的应用。
在材料领域,碳纳米管被用于制造复合材料、纳米增强材料和高性能纤维。
碳纳米管还被应用于电子领域,包括纳米电池、电子器件和传感器。
此外,碳纳米管还用于生物医学领域,如药物传递和生物传感器。
然而,尽管碳纳米管在许多领域都有着广泛的应用前景和潜力,但其大规模生产和应用仍然面临许多挑战。
首先,碳纳米管制备方法的成本较高,限制了其商业化应用。
北京大学科技成果——碳纳米管海绵功能复合材料的可控制备及储能应用
北京大学科技成果——碳纳米管海绵功能复合材料的可控制备及储能应用项目简介碳纳米管海绵材料具有轻质、柔性、抗腐蚀、耐高温等特点。
微观上具有三维多孔结构,能够承受大应变的反复压缩而不坍塌,同时,碳纳米管互相搭接形成高导电的三维网络。
这种综合的优良力学和电学性能使得碳纳米管海绵在功能复合材料、吸附过滤等领域具有广阔的应用前景。
近年来,随着社会对清洁、可再生能源的日趋重视,各种能量转换和存储器件的研究如火如荼。
应用范围轻质、高强度碳纤维复合材料在航空航天等领域有广泛的应用,其中,在碳纤维表面嫁接碳纳米管获得多级结构是增强与有机物基体的界面作用及复合材料力学性能的有效手段,然而,目前人们只能在碳纤维表面吸附或生长一薄层碳纳米管(通常小于100微米),无法充分发挥这种多级结构的优势。
项目在直径为7微米的单根碳纤维表面直接生长宏观厚度(1-10毫米)的海绵,在海绵的底部有一个过渡层(碳纳米管被非晶碳包覆)能够增强界面作用,使得拉伸测试时碳纤维从环氧基体中的滑脱被完全抑制,有利于改进碳纤维复合材料的界面特性从而提高力学性能。
更重要的是,传统的纤维材料、碳纳米管或石墨烯纺丝都比较密实,而海绵具有三维多孔结构,可以负载不同的活性物质制备功能器件,开发更多的应用。
例如,碳纤维-碳纳米管海绵-PPy和碳纤维-碳纳米管海绵-MnO2复合结构可用作超级电容器和锂离子电池的纤维型电极材料。
此外,课题组还通过将海绵内的多壁碳纳米管原位剖开的方法制备了石墨烯纳米带气凝胶,具有良好的超级电容器性能。
碳纳米管海绵及其复合材料的制备与能源应用项目阶段北京大学工学院课题组探索了碳纳米管海绵在能源领域的新应用,取得了一些重要的进展和成果。
具体如下:(1)通过在碳纳米管海绵内部均匀可控负载多种有机、无机活性物质,制备了高性能三维多孔电极材料,应用于超级电容器、锂离子电池等能量存储器件。
以碳纳米管海绵为多孔模板和载体,通过原位生长或后处理方法引入赝电容有机物、氧化物、钙钛矿、介孔硅/碳、二维材料、金属有机框架(MOF)等多种活性物质,获得了一系列均匀负载、结构可控的三维多孔复合材料,并用作超级电容器、锂离子电池等能量存储器件的电极。
碳纳米管的结构、性能和应用
碳纳米管的制备、性质和应用摘要:综述了碳纳米管的研究进展,简单地介绍了单层碳纳米管和多层碳纳米管的基本形貌、结构及其表征,列举了几种主要的制备方法以及特点,介绍了碳纳米管优异的物理化学性质,以及在各个领域中潜在的应用前景和商业开发价值。
Abstract: the article reviews the study progress in nanotubes, and gives a brief introduction to single-layer carbon nanotubes and multi-walled carbon nanotubes of their morphology, structure and characterization. At the same time ,the commonly used ways of preparation and principlesas well as the applications and research prospect of carbon nanotubes are also presented.Key words: carbon nanotubes ; preparation; application前言仅仅在十几年前,人们一般认为碳的同素异形体只有两种:石墨和金刚石。
1985年,英国Sussex大学的Kroto教授和美国Rice大学的Smalley教授进行合作研究,用激光轰击石墨靶尝试用人工的方法合成一些宇宙中的长碳链分子。
在所得产物中他们意外发现了碳原子的一种新颖的排列方式,60个碳原子排列于一个截角二十面体的60个顶点,构成一个与现代足球形状完全相同的中空球,这种直径仅为0.7nm的球状分子即被称为碳60分子1-2。
此即为碳晶体的第三种形式。
1991年,碳晶体家族的又一新成员出现了,这就是碳纳米管。
日本NEC公司基础研究实验室的Iijima教授在给《Nature》杂志的信中宣布合成了这种一种新的碳结构3。
碳纳米管
e) Picture of a CNT and a polymeric sponge placed in a water bath. The CNT sponge is floating on the top while the polyurethane sponge absorbed water and sank to below the surface level. f) A CNT sponge bent to arch-shape at a large-angle by finger tips. g) A 5.5cm1 cm0.18cm sponge twisted by three round turns at the ends without breaking. h) Densification of two cubic-shaped sponges into small pellets (a flat carpet and a spherical particle, respectively) and full recovery to original structure upon ethanol absorption.
范守善院士
清华大学物理系
研究领域:近十余年的研究方向集中在纳米尺度材料的 科学与技术,主要研究方向为碳纳米管的生长机理、可 控制合成与应用探索。在深入揭示和理解碳纳米管生长 机理的基础上,实现了超顺排碳纳米管阵列、薄膜和线 材的可控制与规模化制备,研究并发现了碳纳米管材料 独特的物理化学性质,基于这些性质发展出了碳纳米管 发光和显示器件、透明柔性碳纳米管薄膜扬声器、碳纳 米管薄膜触摸屏等多种纳米产品,部分应用产品已具有 产业化前景,实现了从源头创新到产业化的转换。
碳纳米管半导体(3篇)
第1篇摘要:随着科技的不断发展,半导体材料的研究和应用日益广泛。
碳纳米管作为一种新型半导体材料,具有优异的性能和广阔的应用前景。
本文将从碳纳米管的特性、制备方法、在半导体领域的应用以及面临的挑战等方面进行探讨。
一、引言半导体材料是电子科技领域的关键材料,自20世纪以来,半导体材料的研究和应用取得了举世瞩目的成果。
近年来,碳纳米管作为一种新型半导体材料,引起了广泛关注。
碳纳米管具有独特的结构、优异的性能和广泛的应用前景,有望在未来电子科技领域发挥重要作用。
二、碳纳米管的特性1. 独特的纳米结构碳纳米管是一种由单层或多层石墨烯卷曲而成的纳米级管状材料。
其结构类似于石墨烯,但具有更高的力学强度和导电性能。
碳纳米管具有六边形蜂窝状结构,具有极高的对称性,这使得其在电子器件中具有广泛的应用前景。
2. 优异的物理性能碳纳米管具有以下优异的物理性能:(1)高电导率:碳纳米管具有极高的电导率,是铜的1000倍,这使得其在电子器件中具有很高的应用价值。
(2)高力学强度:碳纳米管具有极高的力学强度,是钢的100倍,这使得其在航空航天、生物医学等领域具有广泛的应用前景。
(3)高热稳定性:碳纳米管具有很高的热稳定性,能在高温环境下保持良好的性能。
(4)高化学稳定性:碳纳米管具有很高的化学稳定性,不易与其他物质发生反应。
三、碳纳米管的制备方法目前,碳纳米管的制备方法主要有以下几种:1. 热解法:将含碳前驱体在高温下分解,生成碳纳米管。
2. 电弧法:将石墨或石墨烯在电弧放电过程中卷曲成碳纳米管。
3. 化学气相沉积法:利用化学反应在催化剂表面生成碳纳米管。
4. 转移法:将碳纳米管从源材料转移到目标材料。
四、碳纳米管在半导体领域的应用1. 碳纳米管晶体管碳纳米管晶体管是碳纳米管在半导体领域的主要应用之一。
碳纳米管晶体管具有以下优势:(1)高迁移率:碳纳米管晶体管具有极高的电子迁移率,这使得其在高速电子器件中具有很高的应用价值。
碳纳米管(CNTs)
碳纳米管(CNTs)—— “新时代的宠儿”2006 级普化论文碳纳米管(CNTs)—— “新时代的宠儿”赵婧 李坤桦 宋杨 刘涛北京大学化学与分子工程学院 一个崭新的碳纳米管世界提供给人类的将是不同于任何以往经验的东 西,它不仅会给人类生活带来一场革命,还会使我们再一次地感受到:科学与 技术正以日新月异的速度发展着,远没有终结的时候 ……摘要 Abstract:1991 年日本 NEC 公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空碳纤 维,直径一般在几纳米到几十个纳米之间,长度为数微米,甚至毫米,称为“碳纳米管” 。
从此便引发了碳纳米管研究的热潮和近十几年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。
本文主要 分为三部分: 1. 对纳米材料及碳纳米管的相关知识进行介绍 2. 于应用层次,讨论纳米材料及碳纳米管的应用前景 3. 客观比较各国研究现状,并预测纳米科技面临的机遇与挑战(见附文)关键字 Keywords: 纳米材料概述碳纳米管热点及应用现状与发展引言:生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。
生 物科学技术中对基因的认识,产生了转基因生物技术,可以治疗顽症,也可以创造出自然界 不存在的生物; 信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事, 因特网几乎可以改变人们 的生活方式。
而纳米科学技术作为二十一世纪的主导产业, 又将给人们带来怎样天翻地覆的 改变呢?……理论知识: 1.纳米材料概述: 纳米材料:指晶粒尺寸为纳米级(10-9 米)的超细材料。
从材料的结构单元层次来说, 它处于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。
在纳米材料中,界面原子占极大比例,而 且原子排列互不相同,界面周围的晶格结构互不相关,从而构成与晶态、非晶态均不同的一 种新的结构状态。
纳米科学技术:研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9 米)内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问; 同时在这一尺度范围内对原子、 分子进行操纵和加工又 被称为纳米技术。
碳纳米管
结构特征
结构特征
碳纳米管
碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主,同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲,形成空间拓扑结构,其中可 形成一定的sp3杂化键,即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态,而这些p轨道彼此交叠在碳纳米管石墨 烯片层外形成高度离域化的大π键,碳纳米管外表面的大π键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价 键复合的化学基础。
常用矢量Ch表示碳纳米管上原子排列的方向,其中Ch=na1+ma2,记为(n,m)。a1和a2分别表示两个基矢。 (n,m)与碳纳米管的导电性能密切相关。对于一个给定(n,m)的纳米管,如果有2n+m=3q(q为整数),则这 个方向上表现出金属性,是良好的导体,否则表现为半导体。对于n=m的方向,碳纳米管表现出良好的导电性, 电导率通常可达铜的1万倍。
其他
碳纳米管还具有光学等其他良好的性能。
制备
01
电弧放电法
02
激光烧蚀法
03
固相热解法
04Байду номын сангаас
离子或激光 溅射法
06
催化裂解法
05
聚合反应合 成
电弧放电法
碳纳米管制备电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产 的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是:将石墨电极置于充满氦气或氩气的反应容器中,在 两极之间激发出电弧,此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下,石墨会蒸发,生成的产物有富勒烯 (C60)、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量,可以调节几种产物的相对 产量。使用这一方法制备碳纳米管技术上比较简单,但是生成的碳纳米管与C60等产物混杂在一起,很难得到纯 度较高的碳纳米管,并且得到的往往都是多层碳纳米管,而实际研究中人们往往需要的是单层的碳纳米管。此外 该方法反应消耗能量太大。有些研究人员发现,如果采用熔融的氯化锂作为阳极,可以有效地降低反应中消耗的 能量,产物纯化也比较容易。
碳纳米管的研究进展及应用
碳纳米管的研究进展及应用一引言1.1 纳米材料纳米材料是近年来受到人们极大关注的新型领域,纳米材料的概念形成于20世纪80年代,在上世纪90年代初期取得较大的发展。
广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料[1]。
当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。
纳米材料具有四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。
从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在国防、电子、化工、催化剂、医药等各种领域具有重要的应用价值。
1.2 碳纳米管碳是自然界分布非常普遍的一种元素。
碳元素的最大的特点之一就是存在多种同素异形体,形成许许多多的结构和性质完全不同的屋子。
长期以来,人们一直以为碳的晶体只有两种:石墨和金刚石。
直到1985年,英国科学家Kroto 和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式C60[2],从此开启了人类认识碳的新阶段。
1991年,日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)发现了多壁碳纳米管(MultiWalled Carbon Nanotubes ,MWNTs),直径为4-30nm,长度为1um。
,最初称之为“Graphite tubular”。
1993年单壁碳纳米管也被发现(Single-Walled Carbon Nanotubes ,SWNTs),直径从0.4nm到3-4nm,长度可达几微米。
碳纳米管(CNT)[3]又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。
它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”,每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。
碳纳米管综述
碳纳米管综述碳纳米管的研究进展自20世纪90年代初,日本NEC公司的Sumio Iijima 发现碳纳米管(CNT)以来,其特异的力学和电学性质引发了世界范围内的研究热潮,碳纳米管逐渐成为纳米材料中的明星,得到众星捧月般的关注。
当前,碳纳米管的研究还处在早期阶段,研究工作主要集中在它的生长和表征上,到碳纳米管产品大量投放市场还需要一段时间。
这并不奇怪,因为通常一种新兴事物从发现到投放市场需要10年左右时间。
人们将跨越碳纳米管的奇妙性质研究阶段,而着手解决从材料到器件、从器件到系统等诸多实际问题。
相信在不远的将来,碳纳米管会走进我们的日常生活,成为我们工作和生活中不可或缺的一部分。
我国的碳纳米管研究队伍十分庞大,从事碳纳米管研究的高校和科研院所不下50家,人数不下2000人。
国家有过部门高度重视碳纳米管研究,科技部973计划、863计划以及刚刚启动的纳米重大研究计划、国家自然科学基金、中国科学院等对此均有部署。
我国科研人员发表的相关学术论文逾4400篇,占纳米管论文总数的21%以上,这反映了国内碳纳米管研究的活力和实力。
碳纳米管的分类石墨烯的碳原子片层一般可以从一层到上百层,根据碳纳米管管壁中碳原子层的数目被分为单壁和多壁碳纳米管。
单壁碳纳米管(SWNT)由单层石墨卷成柱状无缝管而形成是结构完美的单分子材料。
SWNT 的直径一般为1-6 nm,最小直径大约为0.5 nm,与C36 分子的直径相当,但SWNT 的直径大于6nm 以后特别不稳定,会发生SWNT 管的塌陷,长度则可达几百纳米到几个微米。
因为SWNT 的最小直径与富勒烯分子类似,故也有人称其为巴基管或富勒管。
多壁碳纳米管MWNT可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。
其层数从2~50 不等,层间距为0.34±0.01nm,与石墨层间距(0.34nm)相当。
多壁管的典型直径和长度分别为2~30nm 和0.1~50μm。
多壁管在开始形成的时候,层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷,因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。
碳纳米管
碳纳米管的发现
1991年,日本NEC公司基础研究实验室的电子 显微镜专家Iijima(饭岛澄男)发现了多壁碳 纳米管(MultiWalled Carbon Nanotubes , MWNTs),直径为4-30nm,长度为1um。, 最初称之为“Graphite tubular”。 1993年单壁碳纳米管也被发现(Single-Walled Carbon Nanotubes ,SWNTs),直径从0.4nm 到3-4nm,长度可达几微米。
Ch = n a1 + m a2
碳纳米管横切面周长-L
Ch
碳纳米管的直径-dt
dt L
a
n 2 nm m 2
tg 1
3m 2n m
n m 3q, q是整数 表现金属性 other 表现半导体性
a=0.144nm* 3
在石墨中,C-C键长是0.142nm; 在碳纳米管中,C-C键长为 0.144nm。
一片孤立的石墨片在其边缘由于存在有大量的悬挂键,能量较 高,并不稳定。将石墨片卷成灌装可以消除两边的悬挂键,由 于悬挂键的减少,系统总能量也相应降低。 碳纳米管的能量要低于相应石墨片的能量,这就是碳纳米管在 自然界中可以存在并可以大批量制备的根本原因。 另一方面,将石墨片卷曲成碳纳米管必将改变石墨片上C-C网 格的完美几何拓扑,即改变键角引入应变能。应变能的大小随 碳纳米管直径的减小呈指数增加,最终超过由于减小孤立石墨 片边缘的悬挂键所带来的能量降低,碳纳米管的能量因而要高 出石墨片的能量。
碳纳米管的结构与稳定性
因为碳纳米管具有比石墨更为稳定的结构,其才能在一定条 件下形成。 碳纳米管是由石墨层卷绕成的圆管,这种卷绕使石墨层中的p 电子云形状发生变化,而这种变化与形成的碳纳米管的直径 有关,直径越小,弯曲度越大,p电子云形状变化越大。相反, 碳纳米管直径越大,弯曲度变小, p电子云越接近于石墨的 情形,因而其性质接近于石墨。 碳纳米管的最小直径是多大? 碳纳米管的性质很大程度上依赖于直径与手性,直径越小, 电子的状态与sp2差别越大,表现出的量子效应越明显。 对于半导体碳纳米管,其禁带宽度与管径成反比,而与手性 无关。
碳纳米管的原理范文
碳纳米管的原理范文碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)是由纯碳原子组成的纳米材料,具有具有优异的力学、电学、热学性能,在纳米科技领域具有广泛的应用前景。
本文将详细介绍碳纳米管的原理。
1.碳纳米管的结构:碳纳米管可以分为单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotube,SWNTs)和多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotube,MWNTs)。
SWNTs由单一的一个碳原子层环绕而成,可以是单层结构或多层螺旋形结构。
MWNTs由多个碳原子层嵌套形成,内外层之间有一定的间隙。
2.碳纳米管的制备方法:(1)弧放电法:利用直流电或脉冲电,在两个石墨电极之间放电,产生高温,使石墨电极表面的碳原子蒸发并形成碳纳米管。
(2)化学气相沉积法:在合适的催化剂作用下,选择合适的碳源和气氛,在高温下进行沉积,生成碳纳米管。
(3)溶胶凝胶法:利用溶胶凝胶聚合物的制备方法,将碳源溶于溶剂中,在适当的条件下聚合形成碳纳米管。
3.碳纳米管的性质:碳纳米管具有许多独特的性质,包括力学、电学和热学性能。
(1)力学性能:碳纳米管具有极高的强度和刚度,可承受很大的拉伸力,具有优异的力学性能,使其在纳米材料中应用广泛。
(2)电学性能:碳纳米管可以是导电或半导体材料,具有优异的电导率。
SWNTs具有带隙,可以表现出半导体行为,而MWNTs则呈现出金属的电导性能。
(3)热学性能:碳纳米管的热导率非常高,比铜或铝等常见导热材料高几倍,使其具有很好的热传导性能。
4.碳纳米管的应用:碳纳米管由于其独特的性能,具有广泛的应用前景,如:(1)电子器件:碳纳米管可以作为场发射器件、纳米场效晶体管、非挥发性存储器储存单元等,用于集成电路和显示器件。
(2)储能器件:碳纳米管可以用作锂离子电池、超级电容器电极材料,具有优异的储能性能。
(3)材料增强:碳纳米管可以用于增加材料的力学性能,如用于复合材料中的增韧剂或强化剂。
碳纳米管结构与光学性质的研究
碳纳米管结构与光学性质的研究导论碳纳米管(Carbon nanotubes, CNTs)因其优异的力学、电学、光学等性质而引起了广泛关注和研究。
其中,碳纳米管的光学性质是其重要的研究方向之一。
本文将从碳纳米管的结构特征和光学性质两方面展开讨论。
第一章:碳纳米管的结构特征碳纳米管的形成是不同寻常的。
纯碳由于其原子尺寸的特性,无法形成三维的晶体结构,因此只能形成其他形式的几何结构。
碳纳米管是由石墨烯或其变形形式经过卷曲形成的。
其中单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes, SWNT)的结构最为简单,由一个石墨烯单层卷曲而成。
多壁碳纳米管(Multi-walled carbon nanotubes, MWNT)则由多个石墨烯层卷曲而成,其中相邻两层之间的距离为0.34 nm,层与层之间的距离为0.34~0.40 nm(K. Fukui, 2007年)。
此外,碳纳米管的外径大小也可以划分为不同的类型。
根据其外径大小的不同,SWNT可以分为“小”直径SWNT(d<1 nm)和“大”直径SWNT(d>1 nm)两种。
经过实验证明,“小”直径SWNT与“大”直径SWNT的光学性质存在显著差异,应该在后续的光学特性分析中作为一个独立的变量被考虑。
第二章:碳纳米管的光学性质碳纳米管的光学性质研究从最开始主要是在可见光和紫外线范围内对其吸收和荧光特性进行研究。
通过应用吸收光谱、荧光光谱和拉曼光谱等多种方法,科学家探索了碳纳米管的多种性质。
吸收光谱的研究表明,碳纳米管的吸收与其结构密切相关。
结构不同的碳纳米管对光的吸收也会有不同的响应。
例如,其外径和壁厚较大的MWNT对可见光的吸收较小,而直径较细的SWNT 对可见光的吸收要强得多(Marcus L. Worsley, 2013年)。
此外,在可见光和紫外线范围内,碳纳米管的吸收谱带的强度和位置可以由其直径、壁厚、甚至是碳纳米管所处的环境等因素影响。
碳纳米管介绍
此法特点:操作简单, 工艺参数更易控制,生长温度相对较低,成本低,产量大,可规模化生产。但由于其制备的碳纳米管含有许多杂质,且碳纳米管缠绕成微米级大团,需要进一步纯化和分散处理。
二.碳纳米管材料的性能
热学性能
碳纳米管具有良好的传热性能,由于是一维材料,其在径向上的导热性能优越,我们甚至可以在复合材料中掺杂微量的碳纳米管 ,使得复合材料的热导率得到很大的改善。
碳纳米管材料的性能
储氢性能
碳纳米管具有比较大的表面积,且具有大量的微孔,其储氢量远远大于传统材料的储氢量,因此被认为是良好的存储材料。
激光蒸发法是一种简单有效的制备碳纳米管的新方法。与电弧法相比,前者用电弧放电的方式产生高温,后者则用激光蒸发产生高温。得到的碳纳米管的形态与电弧法得到的相似,但碳纳米管质量更高,并无无定形碳出现。这种方法易于连续生产,但制备出的碳纳米管的纯度低,易缠结,且需要昂贵的激光器,耗费大。
3.化学气相沉积法(CVD)
碳纳米管对红外和电磁波有隐身作用:一方面由于纳米微粒尺寸远小于红外及雷达波波长,因此纳米微粒材料对这种波的透过率比常规材料要强得多,大大减少波的反射率;另一方面,纳米微粒材料的比表面积比常规粗粉大3-4 个数量级,对红外光和电磁波的吸收率也比常规材料大得多,也使得红外探测器及雷达得到的反射信号强度大大降低,起到了隐身作用。可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。
在一长条石英管中间放置一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶,该管则置于一加热炉内。当炉温升至一定温度时,将惰性气体充入管内,并将一束激光聚焦于石墨靶上。在激光照射下生成气态碳,这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区时,在催化剂的作用下生长成碳纳米管。
碳纳米管介绍
碳纳⽶管介绍碳纳⽶管的研究摘要:本⽂简要介绍了碳纳⽶管的发现、结构,重点介绍了其制备、性质、应⽤和研究热点关键词:碳纳⽶管;发现;制备;结构;性质;应⽤;研究热点Research of Carbon NanotubesAbstract: In this article, the discovery and structure of carbon nanotubes are breifly introduced, while the preparation, property, application and research hotspot are emphasised. Key words: Carbon Nanotubes; Discovery; Structure; Preparation; Property; Application; Research hotspot0 引⾔⾃1991年⽇本电⽓公司的S.Iijima(饭岛澄男)教授[1]发现碳纳⽶管(碳纳⽶管)以来,碳纳⽶管因其优异的⼒学、电学和光学性能受到了越来越多的关注。
碳纳⽶管是由碳六元环构成的类⽯墨平⾯卷曲⽽成的纳⽶级中空管,其中每个碳原⼦通过sp2杂化与周围3个碳原⼦发⽣完全键合。
经过10多年的研究,碳纳⽶管的制备⽅法与表征⼿段逐渐完善,其产品开发和应⽤也取得了很⼤的进步。
⼈们对使⽤碳纳⽶管合成各种不同性能的应⽤材料的研究也在不断深⼊,主要包括电传导性、电磁性、结构加强材料、热分散性、光性能、复合电沉积、耐腐蚀、耐磨材料等。
碳纳⽶管在纳⽶电⼦器件、超强复合材料、储氢材料、催化剂载体等领域已有很⼤发展,在化学领域中也显⽰出许多独特的优点,引起了专家们的关注。
本⽂将着重介绍碳纳⽶管的性质及其应⽤。
1 碳纳⽶管的发现研究碳纳⽶管(Carbon Nanotubes,以下简称碳纳⽶管)的历史,可以追溯到1889年,⼀项专利阐明了如何制备⼀维碳纳⽶材料,产物中可能有碳纳⽶管。
北京大学实现千兆赫兹碳纳米管集成电路 推动了碳纳米管电子学的发展
北京大学实现千兆赫兹碳纳米管集成电路推动了碳
纳米管电子学的发展
集成电路芯片遵从摩尔定律,通过缩减晶体管尺寸,不断提升性能和集成度,成本得以降低;然而,进一步发展却受到来自物理极限、功耗和制造成本的限制,需要采用新兴信息器件技术支撑未来电子学的发展。
碳纳米管被认为是构建亚10nm晶体管的理想材料;理论和实验研究均表明相较硅基器件而言,其具有5~10倍的本征速度和功耗优势,性能接近由量子测不准原理所决定的电子开关的极限,有望满足后摩尔时代集成电路的发展需求。
但是,由于寄生效应较大,实际制备的碳管集成电路工作频率较低(一般在兆赫兹以下,1MHz=106Hz),比硅基互补金属氧化物半导体(CMOS)电路的工作频率(千兆赫兹,即吉赫兹,1GHz=103MHz=109Hz)低几个数量级。
在国际商业机器公司(IBM)研究人员2017年8月发表的基于碳管阵列的环形振荡器的研究工作中,振荡频率达282MHz,仍远远低于预期。
因此,大幅度提升碳纳米管集成电路的工作频率成为发展碳纳米管电子学的重要挑战。
北京大学信息科学技术学院、纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授-张志勇教授团队在碳纳米管电子学领域潜心研究十几年,发展了一整套碳管CMOS技术,前期已实现亚10nm CMOS器件以及中等规模集成电路。
日前,他们通过对碳管材料、器件结构/工艺和电路版图的优化,在世界上首次实现工作在千兆赫兹频率的碳管集成电路,有力推动了碳纳米管电子学的发展。
团队首先通过优化碳管材料、器件结构和工艺,提升碳纳米管晶体管的跨导和驱动电流;对于栅长为120nm的晶体管,在0.8V的工作电压下,其开态电流和跨导分别达到0.55mA/μm和0.46mS/μm,其中跨导为。
自组装半导体碳纳米管薄膜的光电特性
[Article]物理化学学报(Wuli Huaxue Xuebao )Acta Phys.-Chim.Sin.2014,30(7),1377-1383July Received:February 26,2014;Revised:May 6,2014;Published on Web:May 9,2014.∗Corresponding author.Email:shengwang@;Tel:+86-136********.The project was supported by the National Key Basic Research Program of China (973)(2011CB933002,2011CB933001)and National Natural Science Foundation of China (61370009,61271051,61321001).国家重点基础研究发展规划项目(973)(2011CB933002,2011CB933001)和国家自然科学基金(61370009,61271051,61321001)资助©Editorial office of Acta Physico-Chimica Sinicadoi:10.3866/PKU.WHXB201405093自组装半导体碳纳米管薄膜的光电特性赵青靓1刘旸1,2魏楠1王胜1,*(1北京大学电子学系,纳米器件物理与化学教育部重点实验室,北京100871;2北京大学前沿交叉学科研究院,北京100871)摘要:采用自组装的方法制备99%高纯度半导体碳纳米管平行阵列条带,以金属钯和钪为非对称接触电极制备碳纳米管(CNT)薄膜晶体管(TFTs)器件.主要研究不同沟道长度碳纳米管薄膜晶体管器件的电输运特性和红外光电响应特性,分析了其中的载流子输运和光生载流子分离的物理机制.我们发现薄膜晶体管器件的电学性能和光电性能依赖于器件沟道长度(L )和碳纳米管的平均长度(L CNT ).当沟道长度小于碳纳米管的平均长度时,器件开关比最低;当沟道长度超过碳纳米管平均长度时,随着沟道长度的增加,器件开关比增加,光电流减小.相关研究结果为高纯碳纳米管薄膜晶体管器件在红外光探测器方面的进一步应用提供参考依据.关键词:碳纳米管;自组装;非对称接触;光电响应;红外;沟道长度;薄膜晶体管中图分类号:O649Photoelectric Characteristics of Self-Assembled SemiconductingCarbon Nanotube Thin Film sZHAO Qing-Liang 1LIU Yang 1,2WEI Nan 1WANG Sheng 1,*(1Key Laboratory for the Physics and Chemistry of Nanodevices,Department of Electronics,Peking University,Beijing 100871,P .R.China ;2Academy for Advanced Interdisciplinary Studies,Peking University,Beijing 100871,P .R.China )Abstract:We used the self-assembly method to form high purity (99%)semiconducting carbon nanotube (CNT)aligned arrays.Thin-film transistors (TFTs)were fabricated with asymmetric Pd and Sc electrodes.We studied the electronic transport characteristics and infrared photoelectronic properties of the TFTs with different channel lengths.The physical mechanism of carrier transport and the dissociation of photoexcited carries are also discussed.We found that the electronic and photoelectronic properties of the TFTs were dependent on the channel length and the average length of the CNTs.The on/off ratio of the device was the lowest when the channel length of the device (L )was less than the average length of the CNTs (L CNT ),and it increased with increasing L when L was larger than L CNT .In addition,the short circuit current of the device also decreased.These results provide an effective reference for further infrared detector applications based on high-purity semiconducting carbon nanotube TFTs.Key Words:Carbon nanotube;Self-assembly;Asymmetric contact;Photoelectric response;Infrared;Channel length;Thin film transistor1引言碳纳米管(CNTs)自1991年被发现以来,1在纳米电子和光电应用领域以其优异的性能和广阔的应用潜力得到了广泛的关注.在电学方面,半导体1377Acta Phys.-Chim.Sin.2014V ol.30型单壁碳纳米管具有高达105cm2∙V-1∙s-1的载流子迁移率2和超过1μm的电子平均自由程.3单根半导体单壁碳纳米管作为沟道材料的场效应晶体管(FET),其性能指标已经在多方面超过传统硅基器件.此外,碳纳米管还具有良好的化学稳定性和机械延展性,具有很好的构建柔性电子器件、4全碳电路的潜力.5,6在光电特性方面,碳纳米管与传统光电材料如化合物半导体、有机物半导体相比也具有优异的光吸收和光响应性能.碳纳米管是一种多子带、直接带隙的半导体,其带隙可调,并与直径大致成反比关系,7因此碳纳米管薄膜具有从紫外到红外的宽谱光吸收特性.碳纳米管的吸收系数很高,已报道碳管薄膜样品在近红外到中红外区间的光吸收系数在104-105cm-1之间,8较传统红外材料高出约一个量级.作为一种小尺度的纳米材料,碳纳米管具有很好的光电集成潜力,在保持较高探测性能的同时,单一像素器件能够达到亚微米尺度.9最早的碳纳米管场效应器件是由碳纳米管和铂(Pt)金属形成肖特基接触制备而成,但肖特基结的存在限制了器件的性能,10对于光电器件应用也会限制最佳光电流和光电压的获得.斯坦福大学的Dai研究组11于2003年首次在碳管上采用高功函数的钯(Pd)金属作为源漏电极,实现了p型欧姆接触的场效应晶体管,器件的接触电阻接近理论的量子极限.我们研究组12,13利用低功函数的钪(Sc)和钇(Y)金属实现了很好的碳管n型欧姆接触.利用Pd和Sc/Y金属电极可以构建非对称接触的碳纳米管二极管,14无需化学掺杂即可形成类似p-n结的内建电场,可以高效地实现光生载流子的分离和收集.基于非对称接触碳管二极管,经过引入“虚电极”对可以构成级联碳管二极管结构,利用级联结构的光伏倍增效应,15碳纳米管平行阵列作为沟道材料的光探测器件可以得到更高的信噪比和探测度,多级级联探测器的室温红外探测率可以接近一般的商用红外探测器水平.16先前的基于单根半导体碳纳米管二极管器件的电学和光电性能的研究显示出很好的应用潜力.14,15但由于单根碳纳米管材料尺度的限制,难以满足应用所需材料的大规模制备和均匀分布要求.碳纳米管薄膜材料在发挥单根碳管优异性能的同时,也可以在二维尺度上拓展碳管各方面的应用,如电子器件的沟道材料4,17-19和太阳能电池.20目前常用的薄膜制备方法主要有化学气相沉积法和溶液沉积法.虽然化学气相沉积直接生长可得到高质量的碳纳米管薄膜,但这种方式得到的碳管薄膜中半导体性碳纳米管和金属性碳纳米管混合在一起,通常直接生长的碳纳米管中金属管和半导体管的比例为1:2,金属管的存在会使器件具有较低的开关比,而且不利于半导体碳管中的光激发载流子的分离.如果不能有效去除金属管,基于这种薄膜的器件应用受到较大限制.一般的溶液沉积法可以用密度梯度超速离心法提纯后的碳纳米管做原料,经过自然沉积得到随机网络状分布的高纯度半导体碳纳米管薄膜,其中的碳管是无序分布状态,并且碳管的密度大面积均匀性较难控制.21在溶液沉积法的诸多方式中,蒸发自组装方法在排列的定向性和大面积可控性上具有很大优势.22先前的结果显示出用该方法得到的碳管薄膜材料制备的薄膜场效应器件表现出了较好的均一性和电输运性能,23而且由于碳纳米管的光吸收和光发射具有明显的偏振依赖关系,24对于碳纳米管薄膜在光电器件方面的应用来说,需要定向排列的碳纳米管薄膜以确保器件的光学特性控制.本文采用密度梯度超速离心法提纯的99%半导体单壁碳纳米管作为材料,利用蒸发自组装的方法实现了碳纳米管大面积的近似平行排列的条带,在此基础上批量制备了非对称接触薄膜晶体管器件,主要研究器件沟道长度和碳纳米管的平均长度对器件的电学及光电性质的影响规律,以及薄膜晶体管沟道中光生载流子的分离特性.2实验部分2.1碳纳米管阵列条带材料的制备与表征制备碳纳米管阵列的原材料是经过预先提纯的固态99%半导体碳纳米管(美国NanoIntegris公司).首先将碳纳米管加入浓度为1%的十二烷基硫酸钠(SDS)溶液中,SDS购于Sigma公司,纯度大于99%.用宁波新芝生物科技股份有限公司生产的JY92-2D型超声波细胞破碎机,以200W功率超声1h,以使碳管充分分散.将超声处理过后的碳纳米管的SDS溶液进行超速离心,离心机为日本日立公司CS150GX II,在104000G的加速度下离心30 min.离心后取上层清液,得到分散较好的碳纳米管溶液,将这些溶液进一步稀释10倍后,将表面清洗干净的500nm厚氧化硅的硅片垂直插入溶液中,放入真空干燥器,在0.4个大气压下、减震环境下排列1378赵青靓等:自组装半导体碳纳米管薄膜的光电特性No.748h,得到大面积均一的定向排列的碳纳米管条带.碳纳米管条带的扫描电子显微镜(SEM)照片如图1(a)所示,碳管条带的宽度约为18μm,条带中碳管大致呈平行排列,条带的宽度和周期大小可以通过碳管的浓度和气压条件进行控制.所用的经分离提纯后的单根碳管的长度平均约为1μm,薄膜条带中碳纳米管的管径分布可以由拉曼光谱表征得到.图1(b,c)为碳管薄膜的拉曼光谱,从图1(b,c)中可以看到碳管样品明显的呼吸模(RBM)和G 模,同时可以看到较小的D 峰,利用简单的RBM 峰和直径关系ω=248/d (其中ω是RBM 峰的位置,d 是碳管以nm 为单位时的直径大小),可以得到碳管直径的分布范围为1.2-1.7nm.25图1(d)为99%高纯度碳管薄膜的光吸收谱,吸收谱是采用美国Perkin Elmer 公司的Lambda 950型紫外-可见分光光度计进行测量的.在1100和1800nm 附近显示出强的吸收峰,它们可以分别对应半导体碳纳米管S 22和S 11的吸收峰,吸收谱的长波截止波长在2500nm 左右,说明这种高纯碳管薄膜在可见光到近红外波段均有显著光吸收,同时吸收谱的波长范围也与拉曼光谱给出的碳管的直径分布基本一致.吸收谱中未见明显的金属性碳纳米管M 11吸收峰,证明材料中半导体管有较高的纯度.262.2碳纳米管阵列器件的制备主要采用电子束光刻(EBL)方式对前面获得的Si/SiO 2衬底上的碳纳米管条带进行电极加工,所用的EBL 是加载在美国FEI 公司XL 30SFEG 型号的SEM 上的德国Raith 公司电子束图形发生器附件来完成的.用电子束蒸发镀膜的方式蒸镀金属电极,所用仪器为美国Kurt J.Lesker 公司的电子束蒸发镀膜仪.镀膜之后随即通过美国Cambridge 公司原子层沉积(ALD)方式生长12nm 的氧化铪进行保护,随后进行剥离.采用美国Trion 公司的电感耦合等离子体刻蚀仪(ICP)刻蚀掉器件四周的碳纳米管薄膜,以保证器件之间的独立性.最后用德国Micro Chem 公司的电子束光刻胶聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA),浓度为6%,对器件进行封装,以增加器件在大气中测量的稳定性.典型器件的结构如图2(a)所示,以Si/SiO 2做底栅,源极和漏极金属分别为钛/钯(宽度0.5μm,厚度0.5nm/60nm)和钪(宽度0.5μm,厚度70nm).2.3器件电学和光电性质的测量图1高纯半导体碳纳米管平行阵列薄膜的表征Fig.1Characterization of the high purity semiconducting nanotube aligned arrays(a 1-a 3)SEM image of the carbon nanotube film;(b)radial breathing mode (RBM),(c)D band and G band of Raman spectrum of the carbonnanotube film;(d)visible-near-infrared absorption spectra of carbon nanotube film on glass substrate1379Acta Phys.-Chim.Sin.2014V ol.30器件的电学输运特性测量是在常温、大气环境下进行的,所用仪器为美国Keitheley4200SCS半导体分析仪以及探针台.光电测量是在美国Horiba JY 公司HR800显微拉曼光学系统上通过自制的探针台完成的,用Keithley4200SCS半导体分析仪进行光电响应的测量.所用激光波长为785和633nm.3结果与讨论3.1器件的电学特性表征图2(a)为碳纳米管薄膜条带器件结构示意图. Si/SiO2为衬底的同时也作为底栅控制碳管薄膜晶体管的开关状态,Pd和Sc金属作为源漏电极与碳纳米管形成非对称接触.由于碳纳米管薄膜中的碳管为准定向排列,碳管的平均长度约为1μm,对于不同沟道长度器件的输运机制不同,在沟道比较短的时候(小于1μm),沟道里大部分碳管以直接输运为主,即通过直接搭接在源漏两端电极,当沟道比较长的时候(大于1μm),沟道中的碳管无法直接连接两端源漏电极,主要以碳管相互搭接的方式连接,即以渗透输运机制为主.为了比较不同沟道长度器件的输运特性,我们首先研究了沟道长度对器件电学特性的影响.图2(b)显示了不同沟道长度(分别为0.5,1,2,5μm)器件的转移特性曲线(I ds-V gs(ds:源漏极,gs:栅源极)).器件的沟道中碳管条带宽度均约为18μm,栅压扫描范围为-80-80V,漏极(Pd)偏压为1V,源极(Sc)接地.碳管薄膜晶体管器件的转移特性呈现出典型的p型特征.对于不同的沟道长度器件,其阈值电压不同,对于沟道较长(2,5μm)器件,当其栅压(V gs)为60V左右为关态,对于沟道较短器件(0.5,1μm),其关态电压为20-40V之间,阈值电压的变化主要可能是来自不同沟道长度器件的电输运机制.随着沟道长度的增大,器件的开关比增大,开态电流减小.当沟道长度为0.5μm时,器件具有最大的开态电导,由于平均碳管长度约为1图2高纯半导体碳纳米管平行阵列的薄膜晶体管器件结构与电学特性Fig.2Device structure and electrical properties of thin-film transistors based on high purity semiconductingnanotube aligned arrays(a)schematic of the CNT-TFT device with asymmetric contacts;(b)transfer characteristics of nanotube TFTs,with channel lengths of0.5,1,2,and5μm under bias1V;(c)current-voltage characteristic of TFT device with channel length L=2μm.V gs changes from-40to80V with a step of40V(gs:gate-source,ds:drain-source);(d)on-state current plotted against on/off ratio of thin film transistors for all devices studied 1380赵青靓等:自组装半导体碳纳米管薄膜的光电特性No.7μm,此时大部分碳管的两端可以直接搭接到源漏电极上,电流的输运机制以直接输运为主,由于碳纳米管的密度较高,每微米超过20根,23因此同时也存在渗透输运机制.此时材料中的金属管的直接搭接和渗透输运机制存在使得器件的电流基本不受底栅调制,开关比小于10.当沟道长度为1μm时,器件的开关比为101-102.随着沟道长度的进一步增加,当沟道长度为2μm时,由于碳管平均长度只有1μm左右,器件中直接搭接到源漏电极的金属碳管几乎不存在,器件的开关比能够达到102,电流的输运机制从直接输运为主变为渗透输运为主.最后当沟道长度为5μm,远大于碳管平均长度时,开关比均大于102,个别器件能大于104,此时载流子需要通过多个碳管间的渗透输运才能从一个电极到达另一个电极,因此具有最大的开关比和最小的开态电导.图2(c)为沟道长度为2μm的典型器件在不同栅压下的输出特性.此沟道长度器件的电流受到栅压明显的调制,开关比可以达到2个数量级.在正负偏压下的电流基本对称,电阻随偏压的增大而减小.单根碳管在非对称接触Pd/Sc结构会表现出的典型二极管特性在薄膜体系中没有被观察到,这主要可能是由于薄膜体系的输运特性为渗透输运机制,并且与沟道中碳纳米管之间接触引入的肖特基结有关,沟道中碳管之间的多次搭接形成了一个较为复杂的输运体系.器件的电流电压特性(I ds-V ds)由非对称的金属与碳管接触形成的接触电阻和碳管之间的接触特性共同决定.图2(d)为同一批制作的所有不同沟道长度器件的开态电流与开关比的关系统计结果.绝大多数相同沟道长度器件的开态电流和开关比变化在一个较小的范围内.实验结果显示了相同沟道长度器件之间较高的均一性,与此同时不同沟道长度的器件开态电流和开关比的分布有显著的差异.长沟道的器件拥有较大的开关比和较小的开态电流,短沟道的器件开关比较小,但开态电流较大,与图2(b)转移曲线规律一致.3.2器件的光电特性表征在前面电学特性表征的基础上,我们对比了不同沟道长度器件的红外光电响应.图3(a)显示了无光照、栅压处于关态条件下,不同沟道长度的器件的电流-电压(I-V)特性.沟道长度越长,暗电流越小.图3(b)为沟道长度2μm的典型器件在不同光强条件下(光照强度分别为2.3,1.15,0.58,0.23,0.023kW∙cm-2,激发波长785nm)的I-V特性.入射功率密度为2.3kW∙cm-2时,短路光电流为6.3nA.光电流随光强的减小而减小,在光照强度下降至0.023 kW∙cm-2时,器件仍存在一定的光电流响应.由于碳纳米管的光吸收具有偏振依赖关系,在轴向有最强的光吸收特性,我们采用的激光偏振方向与碳纳米管定向排列方向一致以获得高的光电响应效果.图3(c)不同颜色的点显示了不同沟道长度的器件短路光电流随光照强度的变化趋势,图中直线是拟合的结果.器件的短路光电流均随光照强度基本呈线性变化,长沟道的器件(大于1μm)的短路光电流较短沟道的器件要小,这是由于随着沟道长度变长,载流子被电极收集形成光电流的过程需要经过更多碳管之间的输运导致的结果,同时光生载流子也容易在输运过程中产生复合而损耗掉.对于0.5μm短沟道器件中,由于存在金属管直接搭接源漏电极,在光照情况下很难有效产生短路光电流和开路光电压,而沟道长度为2和5μm的短路光电流值差异较小.为进一步了解碳纳米管薄膜体系中的有效的光生载流子分离区域和分离机制,我们采用激光扫描光电流谱的方法对器件不同区域的光响应进行了研究.图4(a)为高纯半导体碳纳米管阵列晶体管对光照位置沿沟道方向的光电流响应.测量采用沟道长度为一个5μm的典型器件,激发波长为633 nm,采用50倍的物镜进行聚焦,激光的光斑直径约为2μm.在关态栅压情况下,通过移动样品台,光斑从器件漏电极一侧的沟道之外区域,以1μm步长沿着器件沟道从漏电极往源电极进行扫描.从图4(a)中可以看到,器件在金属和碳纳米管接触处附近有较大的正向光电流,说明在该体系下,光激发电子空穴对的分离主要发生在金属和碳纳米管接触区域.而光照在器件沟道中间时,由于没有有效的自建场存在,无法产生正向光电流,因此沟道中间处的反向电流可能是由碳管的局域缺陷引起的光电流.图4(b)显示了对应器件的能带示意图,非对称接触形成的能带弯曲是在两个电极接触区域产生净光电流的主要条件.在金属钯与碳纳米管接触区域附近,通过电荷转移,形成空穴富集区域;在金属钪与碳纳米管接触区域附近,形成电子富集区域,所以两个区域产生的光电流同向.当激光照射在碳管与Pd金属接触处的时候,由于碳管的能带向上弯曲且Pd金属可以与碳纳米管的价带形成良好的欧姆1381Acta Phys.-Chim.Sin.2014V ol.30接触,光激发的空穴很容易被Pd 电极收集,产生净的光电流.当激光照射在碳管与Sc 金属接触处时,由于碳管的能带向上弯曲且Sc 金属可以与碳纳米管的导带形成良好的欧姆接触.光激发的电子很快被Sc 电极收集,产生与光照在Pd 端同向的光电流.而在沟道中间,由于远离接触区域,没有有效分离电子空穴的自建电场,光电流迅速变小,光激发的载流子无法有效通过碳管之间输运到达源漏电极.4结论采用溶液蒸发自组装法(EDSA)可控地大面积定向排列了99%高纯半导体单壁碳纳米管阵列薄膜.利用排列的碳纳米管阵列,采用无掺杂的非对称接触电极方法制备了薄膜晶体管器件,对它的电学特性、光电特性进行了测量和研究,并对相关的物理机制进行了分析.在高纯碳管阵列薄膜器件中,沟道长度对器件的电学、光电响应特性存在较大影响.器件的沟道长度超过碳纳米管的平均长度会使沟道中管与管之间的结数量增加,使器件由直接输运占主导转变为渗透输运占主导,同时器件的电导和短路光电流下降,开关比增加.扫描光电流结果也显示出光电流主要产生在碳管与金属(Pd 和Sc)接触区域附近,同时非对称的接触电极可以高效地收集光生载流子.相关结果为高纯碳管薄膜在光探测方面的应用提供了参考依据.References(1)Iijima,S.Nature 1991,354,56.doi:10.1038/354056a0(2)Perebeinos,V .;Tersoff,J.;Avouris,P.Nano Lett .2006,6,205.doi:10.1021/nl052044h (3)Purewal,M.S.;Hong,B.H.;Ravi,A.;Chandra,B.;Hone,J.;Kim,P.Phys.Rev.Lett.2007,98,186808.doi:10.1103/PhysRevLett.98.186808(4)Cao,Q.;Kim,H.S.;Pimparkar,N.;Kulkarni,J.P.;Wang,C.;Shim,M.;Roy,K.;Alam,M.A.;Rogers,J.A.Nature 2008,454,495.doi:10.1038/nature07110(5)Liang,X.L.;Wang,S.;Wei,X.L.;Ding,L.;Zhu,Y .Z.;Zhang,Z.Y .;Chen,Q.;Li,Y .;Zhang,J.;Peng,L.M.Adv.Mater.2009,图4高纯半导体碳纳米管阵列晶体管沿沟道方向的光电流响应(激光波长λ=633nm)Fig.4Spatial photocurrent response along the channel ofhigh purity semiconducting CNT-TFTs device withscanning laser wavelength of 633nm(a)short circuit current (I sc )as a function of position being illuminated when gate bias (V gs )is 20V;(b)depicted energy band diagrams of the asymmetrically contacted CNT-TFT.The electron-hole pairs can be separated and collected efficiently at the contact area betweenmetal electrode and carbonnanotube.图3高纯半导体碳纳米管阵列薄膜晶体管的光电特性表征Fig.3Photoelectric properties of thin-film transistors based on high purity semiconducting nanotube arrays(a)current -voltage (I -V )characteristic of typical CNT-TFTs with channel lengths of 0.5,1,2,and 5μm;(b)current -voltage characteristics in alogarithmic scale of a typical CNT-TFT with channel length of 2μm with different power densities and the laser wavelength of 785nm;(c)experimental data (point)and fit results (line)for short circuit current as a function of power density,for TFTdevices with channel lengths of 1,2,and 5μm1382赵青靓等:自组装半导体碳纳米管薄膜的光电特性No.721,1339.doi:10.1002/adma.v21:13(6)Zhu,Y.Z.;Wang,S.;Wei,X.L.;Ding,L.;Zhang,Z.Y.;Liang,X.L.;Chen,Q.;Peng,L.M.Acta Phys.-Chim.Sin.2008,24,2122.[朱玉振,王胜,魏贤龙,丁力,张志勇,梁学磊,陈清,彭练矛,物理化学学报,2008,24,2122]doi:10.3866/PKU.WHXB20081131(7)Bachilo,S.M.;Strano,M.S.;Kittrell,C.;Hauge,R.H.;Smalley,R.E.;Weisman,R.B.Science2002,298,2361.doi:10.1126/science.1078727(8)Itkis,M.E.;Borondics,F.;Yu,A.;Haddon,R.C.Science2006,312,413.doi:10.1126/science.1125695(9)Yang,L.J.;Wang,S.;Zeng,Q.S.;Zhang,Z.Y.;Li,Y.;Zhou,W.W.;Liu,J.;Peng,L.M.ACS Appl.Mater.Inter.2012,4,1154.doi:10.1021/am201778x(10)Tans,S.J.;Verschueren,A.R.M.;Dekker,C.Nature1998,393,49.doi:10.1038/29954(11)Javey,A.;Guo,J.;Wang,Q.;Lundstrom,M.;Dai,H.J.Nature2003,424,654.doi:10.1038/nature01797(12)Zhang,Z.;Liang,X.;Wang,S.;Yao,K.;Hu,Y.;Zhu,Y.;Chen,Q.;Zhou,W.;Li,Y.;Yao,Y.;Zhang,J.;Peng,L.M.Nano Lett.2007,7,3603.doi:10.1021/nl0717107(13)Ding,L.;Wang,S.;Zhang,Z.Y.;Zeng,Q.S.;Wang,Z.X.;Pei,T.;Yang,L.J.;Liang,X.L.;Shen,J.;Chen,Q.;Cui,R.L.;Li,Y.;Peng,L.M.Nano Lett.2009,9,4209.doi:10.1021/nl9024243(14)Wang,S.;Zhang,Z.Y.;Ding,L.;Liang,X.L.;Sun,J.;Xu,H.L.;Chen,Q.;Cui,R.L.;Li,Y.;Peng,L.M.Adv.Mater.2008,20,3258.doi:10.1002/adma.v20:17(15)Yang,L.;Wang,S.;Zeng,Q.S.;Zhang,Z.Y.;Pei,T.;Li,Y.;Peng,L.M.Nature Photon.2011,5,672.doi:10.1038/nphoton.2011.250(16)Yang,L.;Wang,S.;Zeng,Q.S.;Zhang,Z.Y.;Peng,L.M.Small2013,9,1225.doi:10.1002/smll.201203151(17)Snow,E.S.;Novak,J.P.;Campbell,P.M.;Park,D.Appl.Phys.Lett.2003,82,2145.doi:10.1063/1.1564291(18)Zhang,J.;Wang,C.;Fu,Y.;Che,Y.;Zhou,C.W.ACS Nano2011,5,3284.doi:10.1021/nn2004298(19)Wang,C.;Zhang,J.;Zhou,C.W.ACS Nano2010,4,7123.doi:10.1021/nn1021378(20)Wei,J.Q.;Jia,Y.;Shu,Q.K.;Gu,Z.Y.;Wang,K.L.;Zhuang,D.M.;Zhang,G.;Wang,Z.C.;Luo,J.B.;Cao,A.Y.;Wu,D.H.Nano Lett.2007,7,2317.doi:10.1021/nl070961c(21)Wang,C.;Zhang,J.;Ryu,K.;Badmaev,A.;Arco,L.G.;Zhou,C.W.Nano Lett.2009,9,4285.doi:10.1021/nl902522f(22)Shastry,T,A.;Seo,J.;Lopez,J.;Arnold,H.;Kelter J.;Sangwan,V.;Lauhon,L.;Marks,T.;Hersam,M.C.Small2013,9,45.doi:10.1002/smll.v9.1(23)Engel,M.;Small,J.P.;Steiner,M.;Freitag,M.;Green,A.A.;Hersam,M.C.;Avouris,P.ACS Nano2008,2,2445.doi:10.1021/nn800708w(24)Kinoshita,M.;Steiner,M.;Engel,M.;Small,J.P.;Green,A.A.;Hersam,M.C.;Krupke,R.;Mendez,E.E.;Avouris,P.Opt.Express2010,18,25738.doi:10.1364/OE.18.025738(25)Dresselhaus,M.S.;Dresselhaus,G.;Saito,R.;Jorio,A.Phys.Rep.2005,409,47.doi:10.1016/j.physrep.2004.10.006(26)Cao,Q.;Han,S.;Tulevski,G.S.;Zhu,Y.;Lu,D.D.;Haensch,W.Nature Nanotech.2013,8,180.doi:10.1038/nnano.2012.2571383。
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Carbon Nanotubes
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Brief Introduction
What is the Carbon nanotubes(CNTs)?
allotropes of carbon with a cylindrical nanostructure. The atomic structure can be formed by wrapping a stripe of single layer of carbon atoms along a certain direction. This direction determines the diameter and chirality of the nanotubes.
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CaNew Progress
Build field effect transistor(FET) devices
exploited the high quality, purity, relatively large diameter, high packing density and good alignment of s-SWNTs.
Integration of the sorted s-SWNTs
s-SWNTs could be self aligned into raft assemblies by utilizing depletion attraction forces originated from entropic effects at high surfactant loading.
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Standford‟s New Progress
Build field effect transistor(FET) devices
highest current achieved by the semiconducting raft FET devices on 10nm SiO2 was 121μA under a 1V bias. on/off ratio of this device was ∼4000 under a 1V bias. The number of SWNTs was ∼37,corresponding to an average of 3.2μA /SWNT. highest current density achieved was 160μA/μm in a different device with a raft width of ∼500 nm.
Challenges
The production of pure semiconducting SWCNTs. Integration into ordered structures.
How did they face the challenges?
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Surfactant loading
sodium cholate (SC) and sodium dodecyl sulfate (SDS) solutions. a process driven by depletion attraction during water evaoration on a (3-aminopropyl) triethoxysilane (APTES)-modified SiO2 /Si substrate. Surfactants act: depletion agents in solution and surface ligands to stabilize SWNT suspension.
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Standford‟s New Progress
The result after separation
We get highly pure s-SWNTs.
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Advantage of CNTs
extraordinary thermal conductivity and mechanical and electrical properties
Classifications
single-walled carbon nanotubes (SWNTs) multi-walled carbon nanotubes (MWNTs).
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Key Words
Self-Assembly. Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes(s-SWNTs). Dense, Aligned rafts.
CNRI: Corporation for National Research Initiatives.
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Brief Introduction
History of CNTs In 2007, Japan develop the technology of directly syhthesising a large number of SWNTs, called “Super Growth”. In 2010, researchers coming from Zhejiang Uni.& Uni. of California synthesized fullerence C90, owing the world’s smallest CNT structure. In 2012, the application of CNT in biosensors make the speed of prototype biosensor almost tripled.
Band gap
Their band gap can vary from zero to about 2eV and their electrical conductivity can show metallic or semiconducting behavior.
Adventage
Single-walled nanotubes are likely candidates for miniaturizing electronics. One useful application of SWNTs is in the development of the first intermolecular field-effect transistors (FET).
Standford‟s New Progress
Challenges
The production of pure semiconducting s-SWNTs. Integration into ordered structures.
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Self-Assembly of Semiconducting Single-walled Carbon Nanotubes
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Contents
1. Brief Introduction 2. Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes(Semic-SWNTs) 3. Standford’s New Progress 4. Summary
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Depletion force
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AFM images of semiconducting SWNT rafts
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Semiconducting SWNTs
SWNTs are an important variety of carbon nanotube because
Most of their properties change significantly with the (n,m) values, and this dependence is non-monotonic. The integers n and m denote the number of unit vectors along two directions in the honeycomb crystal lattice of graphene.
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Self-assembly
A unique „bottom-up‟ approach for making well-ordered architectures. Place SWNTs into patterned trenches with controlled trench density. But the inter-tube relations (density and align-ment) within a trench are not defined or controlled.
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