碳纳米管的介绍

纳米材料课程论文

论文题目: 碳纳米管在场效应管中的

应用

学院: 理工学院

专业: 材料科学与工程专业

指导老师: xxx

姓名：XXX

学号: XXX

二0 年月日

碳纳米管在场效应管中的应用

题目：碳纳米管在场效应管中的应用

单位：XXX

作者;XXX (201XXXXX)

摘要简单介绍了晶体管的定义和分类、晶体管的发展历史.

碳纳米管热学性质和电学性质、碳纳米管场效应晶体管

的结构、工作原理及制备与性能、碳纳米管场效应晶体

管的研究进展。

Abscart We briefly introduced the definition , classification and the history of the development of the transisor. And

we make a thorough inquiry about thermal

properties , electrical properties , structure, working

principle , preparation and research progress of the

CNTFET .

关键词：碳纳米管场效应晶体管单壁工作原理研究进展

１引言

碳纳米管作为一种新型半导体材料在制作纳米级电子元器件中有着广泛的应用。根据结构的不同，碳纳米管有金属型和半导体型两种，人们以半导体型碳纳米管制备了碳纳米管场效应晶体管，取得了良好的效果。

随着纳米技术的发展, 新的工艺技术也随之产生。纳米器件的“由下至上”

]1[制作工艺, 是在纳米技术和纳米材料的基础之上发展起来的, 在新工艺基础之上, 可以利用纳米管、纳米线的性质制作成各种新的电子器件。由于碳纳米管可以和硅在电子电路中扮演同样的角色, 随着基于碳纳米管的纳米电路研究的深入发展, 电子学将在真正意义上从微电子时代进入纳电子时代。从分析碳纳米管分立场效应晶体管典型结构特点入手, 分析阐述了碳纳米管构建的典型纳米逻辑电路结构特征及碳纳米管在柔性纳米集成电路方面的应用。

2 碳纳米管和晶体管发展历史

2.1碳纳米管发展历史简介

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)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,现在命名为“Carbon nanotube”（CNT），即碳纳米管]2[。按片层石墨层数分类, 可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管其结构可以看作单层石墨烯无缝卷曲而成, 而多壁碳纳米管可理解为不同直径的单壁碳纳米管套装而成。在以后的20年里CNT的制备工艺，应用逐渐发展成熟。理论预计该材料具有优异的力学、电学、磁学等性能，极具理论研究和实际应用价值，因而激起了国内外学者的极大兴趣。时至今日，碳纳米管的研究仍是材料界以及凝聚态物理研究的前沿和热点。

图1 碳纳米管结构示意图

2.2 晶体管发展历史

晶体管（transistor）是一种固体半导体器件，可以用于检波、整流、放大、开关、稳压、信号调制和许多其它功能。分为半导体三极管、电力晶体管、光晶

体管、双极晶体管、场效应晶体管等。它的前身是体积庞大，功耗高的电子管。自半导体PN结被发现后，体积小巧的晶体管就替代了电子管成为超大规模集成电路的主体器件。

晶体管的发明是在1947年12月]3[，由美国贝尔实验室的肖克利、巴丁和布拉顿组成的研究小组，研制出一种点接触型的锗晶体管。

1950年：威廉·邵克雷开发出双极晶体管（Bipolar Junction Transistor），这是现在通行的标准的晶体管。

1953年：第一个采用晶体管的商业化设备投入市场，即助听器。

1954年10月18日：第一台晶体管收音机Regency TR1投入市场，仅包含4只锗晶体管。

1961年4月25日：第一个集成电路专利被授予罗伯特·诺伊斯（Robert Noyce）。最初的晶体管对收音机和电话而言已经足够，但是新的电子设备要求规格更小的晶体管，即集成电路。

80年代以后，计算机技术进入一个飞速发展的时代，相对的晶体管的体积也越来越小。时至今日，人们已经能在一平方厘米的硅片上集成几百万个晶体管。晶体管的发展已经成为信息技术的代言人。

3 碳纳米管的理化性质

3.1 碳纳米管的热学性质

碳纳米管具有良好的传热性能，CNT具有非常大的长径比，因而其沿着长度方向的热交换性能很高，相对的其垂直方向的热交换性能较低，通过合适的取向，碳纳米管可以合成高各向异性的热传导材料。另外，碳纳米管有着较高的热导率，只要在复合材料中掺杂微量的碳纳米管,该复合材料的热导率将会可能得到很大的改善。

3.2 碳纳米管的电学性质

碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。

碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相

同，所以具有很好的电学性能。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTs 的管径大于6nm 时，导电性能下降；当管径小于6nm 时，CNTs 可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。

常用矢量Ch 表示碳纳米管上原子排列的方向，其中Ch=a1n +a2m ，记为(n,m)。1a 和2a 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。

3.3碳纳米管的力学性质

由于碳纳米管中碳原子采取全SP2杂化链接，相比SP3杂化，SP2杂化中S 轨道成分比较大，碳碳键键能较大。而且CNT 本身为纳米级结构，缺陷很少，故使碳纳米管具有高模量、高强度。

碳纳米管具有优异的力学性能，其抗拉强度达到50～200GPa,是钢的100倍,密度却只有钢的1/6；它的弹性模量可达1TPa ，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想结构的单层壁的碳纳米管，其抗拉强度约800GPa 。碳纳米管的结构虽然与高分子材料的结构相似，但其结构却比高分子材料稳定得多。碳纳米管是目前可制备出的具有最高比强度的材料。工程上常以其他工程材料为基体与碳纳米管制成复合材料, 可使复合材料表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，给复合材料的性能带来极大的改善。

碳纳米管的硬度与金刚石相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。目前在工业上常用的增强型纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，即长度和直径之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料。2000年10月，美国宾州州立大学的研究人员称，碳纳米管的强度比同体积钢的强度高100倍，重量却只有后者的1/6到1/7。碳纳米管因而被称“超级纤维”。

4.碳纳米管场效应晶体管的结构、工作原理，制备方法