碳纳米管的介绍

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1、碳纳米管在场效应管中的应用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。AbscartWe 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 , structu

2、re, 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

3、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 nanotubc (CNT),即碳纳米 管

4、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

5、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

6、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

7、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n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=n +m，记 a1 a2为(n,m)。a和a分别表示两个基矢。(

8、n,m)与碳纳米管的导电性能密切相关。对12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50200GPa,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

9、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

10、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4.1.碳纳米管场效应晶体管的结构图24为传统底栅结构的CNTFET。以硅为基板镀上一层二氧化硅，利用溅 射的方法将金属电极安装上,，再经刻蚀制备出源极和漏极结构。最后将CNT铺于电极之上连接起来。MWNTor SWNT$ 戌LI gDUPEfik Au (drain) ISiOSi (back gate)图 2 CTNFET 结构示意图4.2 碳纳米管场效应晶体管的工作原理半导体

11、型的碳纳米管是一种一维材料，直径在 nm 量级，远远小于金属电 极的尺度，碳纳米管与金属电极接触平衡的过程中，费米钉扎效应非常微弱，可 以忽略，电子或空穴通过场效应从金属注入到碳纳米管中成为载流子。如果金属 的功函数小于碳纳米管的功函数，则金属的导带与碳纳米管接触，载流子为电子； 反之，如果金属的功函数大于碳纳米管的功函数，则金属的价带与碳纳米管接触， 载流子为空穴。通过调制栅极电压改变碳纳米管的能带相对于金属电极费米能级 的位置。正的栅压使碳纳米管的能带向下弯曲，在电极和碳纳米管的接触处形成 空穴势垒，场效应管处于关闭状态；负的栅压使碳纳米管的能带向上弯曲，在电 极和碳纳米管的接触处形成欧姆

12、接触，场效应管处于开启状态，从而实现电路的 开关控制。43 CNTFET 基本结构的制备方法在 n 型 Si 基底上热生长一层 10100 nm 厚的 SiO2 绝缘层；用溅射的方法在 SiO2 绝缘层上制备金属电极，对电极进行刻蚀；将一定浓度的经过分散的单壁 碳纳米管溶液滴在基底的源漏电极之间，经过一定排布方法形成 FET 的导电沟 道4. 4 碳纳米管导电沟道的制备方法4.4.1 AFM 操控法将 CNT 溶液滴在探针处，通过 AFM 探针与 CNT 的范德华力带动其沿一定 轨迹运动，以连接源极和漏极。优点是容易通过 AFM 实时跟踪 CNT 的位置， 操作精确，缺点是只适用于实验室研究。

13、4.4.2 交流介电泳方法将一经过处理的 CNT 溶解在氯仿或异丙醇中, 超声分散、过滤后取一滴溶 液滴在基底上，在源漏电极间加上交流偏压。 CNT 在外加交流电场的作用下会 受到一定程度的极化, 极化后的 CNT 在交流电场中将发生扭转和平移运动, 利 用这种运动即可实现对 CNT 的操控。缺点是可控性不强。4.4.3 CVD 原位生长CVD 原位生长是利用化学气相沉积法 (CVD), 先在基底上排布一定浓度的 催化剂纳米颗粒 , 放入石英炉中 , 在真 空条件下加热到一定 的温度 ( 约 900 C),通入乙炔、甲烷等碳源气体。在催化剂的作用下，在基底的相应位置沉 积生成碳纳米管。优点是可

14、用于工业化生产，缺点是产物不纯。5 碳纳米管场效应晶体管的参数设计及选材5.1 直流参数饱和漏极电流IDSS:当栅、源极之间的电压等于零，而漏、源极之间的电 压大于夹断电压时，对应的漏极电流。夹断电压UP：当UDS 一定时，使ID减小到一个微小的电流时所需的UGS。开启电压UT：当UDS 一定时，使ID到达某一个数值时所需的UGS。5.2 交流参数低频跨导gm：它是描述栅、源电压对漏极电流的控制作用。极间电容场效应管三个电极之间的电容，它的值越小表示管子的性能越好。 极限参数：漏、源击穿电压。栅极击穿电压： PN 结型场效应管正常工作时，栅、源极之间的 PN 结处于 反向偏置状态，若电流过高，

15、则产生击穿现象。选用晶体管时应当根据应用的物理环境，合理的按照参数，尤其是击穿电压，进行选择。5.3 选材CNTFET的基底选材常用的有硅和有机高聚物基底两种，源极和漏极根据P 型和 N 型的要求，以及晶体管性能的要求选择不同功函数的金属。可供选择的 有 Au， Ag， Ti 等。CNT 按需求可以选择 SWCNT 或者 MWCNT。6 基于碳纳米管场效应晶体管构建的纳米电子逻辑电路 典型的逻辑电路有反相器、与非门、环形振荡器、 存储器等。以图3为例，在该逻辑电路中，输入电压同时加到两个互补的CNT-FETs 上,即p型CNT-FET 所加电压为正压，而n型CNT-FET所加电压就为负压了 ,

16、反之亦然。施加正压 时，n型FET的状态为“开”（p型FET为“关”），输出电压为负；当施加负 电压时，p型FET为“开”的状态输出电压为正。在输入电压的中间区域，部 分电流会同时通过两个 FETs, 也就是说, 这时, 该结构就作为1 个电压分压器, 因此， 这个逻辑电路的传输曲线就表现出“非”门的特性，它能分别使输入1 或 者0 变为0 或者1。02Si back-gateSiO2 n-FET-VPMMAp-FFT图 3 一个“非”门 CNTFET 器件示意图7 存在的问题及未来展望CNTFET 存在着碳纳米管与金属电极接触电阻较大、滞后效应等问题，但是 仍不影响其在电子元器件领域的应用和发展。最近三年的