CN101252145B - 一种碳纳米管纳电子器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种实现碳纳米管与金属电极间高性能接触的方法，由此得到具有稳定的高性能碳纳米管纳电子器件。本发明的以碳纳米管为基的纳电子器件采用金属钪作为与碳纳米管连接的电极。通过各种微加工技术把金属钪与碳纳米管连接起来即可实现高性能的接触，可用于制备高性能的n型碳纳米管场效应晶体管，也可用于制备以碳纳米管为基的其他各种高性能的纳电子器件，包括生物以及化学传感器件。本发明对推动纳电子器件的实用化进程具有非常重要的意义，具有广泛的应用前景。

Description

一种碳纳米管纳电子器件及其制备方法
技术领域
本发明属于纳电子学领域，特别涉及一种以碳纳米管为基的纳电子器件，以及实现碳纳米管与金属电极间高性能接触的方法。
背景技术
纳电子器件的研究是当今纳米科学技术中最为重要的领域。碳纳米管以其独特的电学性能被认为是最有希望的纳电子器件的构建材料。用碳纳米管构建的各种纳电子器件如场效应晶体管、逻辑运算电路、振荡器、生物以及化学传感器等已经被广泛地研究，器件的性能在许多方面已经超过目前的微电子器件。这些都大大地促进了纳电子器件的实用化进程。
以碳纳米管为基的各种纳电子器件中都不可避免地涉及到碳纳米管与外部电极、以及各碳纳米管之间的连接问题。目前广泛采用的是用金属连接，即采用各种微加工的方法选择适当的金属材料把碳纳米管连接起来构建成纳电子器件。目前采用金属钯(Palladium，Pd)已经实现了与碳纳米管的p型高性能接触[A.Javey，J.Guo，Q.Wang，M.Lundstrom，H.Dai，Nature，424，654(2003)]。采用Pd做接触电极的碳纳米管场效应晶体管不仅可以获得欧姆接触，而且可以实现载流子的弹道输运，部分性能已经远远超过了目前基于硅技术的的p型MOSFET。众所周知，作为逻辑电路基本单元的CMOS同时需要p型和n型场效应晶体管。尽管p-型碳纳米管场效应晶体管已经制备得很好，但n型碳纳米管场效应晶体管的研究还远远落后于p型器件。目前用来制备n型碳纳米管场效应晶体管的方法主要有两种，一种是采用低功函数的金属(如Al，Mg，Ca)[Y.Nosho，Y.Ohno，S.Kishimoto，T.Mizutani，Nanotechnology，17，3412(2006)，Ali Javey，Qian Wang，Woong Kim，and Hongjie Dai，IEEEIEDM2003]作为电极材料来实现金属与碳纳米管的n型接触，一种是对碳纳米管本身进行电子型掺杂从而实现n型器件[A.Javey，R.Tu，D.B.Farmer，J.Guo，R.G.Gordon，and H.Dai，Nano Lett，5，345(2005)]。但是，第一种方法得到的n型器件的性能较差，开关电流比和开态电流值都比较小。第二种方法虽然可以得到性能较好的n型器件，但是掺杂并不稳定，器件必须处于一定的化学环境中才行，当环境(如温度、气氛)发生变化时器件的性能随之变化，实用性较差。因此，如何实现碳纳米管与金属电极间的高性能的n型接触已经成了限制纳电子器件实用化的重要因素。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有高性能接触的碳纳米管纳电子器件，以及能够简单方便地实现碳纳米管与金属形成高性能的接触的方法。
本发明的以碳纳米管为基的纳电子器件采用金属钪(Scandium，Sc)作为与碳纳米管连接的电极。
通过各种微加工技术，把金属钪与碳纳米管连接起来即可实现高性能的接触。常用微加工技术例如：
1、通过光刻(电子束或光学光刻)在碳纳米管周围形成电极的形状，再蒸镀一层金属Sc，然后剥离(lift off)去除不需要的金属层，这样就在金属钪与碳纳米管之间建立了电极连接。
2、利用纳米探针操纵系统，在扫描电镜(SEM)或透射电镜(TEM)中，用金属钪做探针的针尖，直接接触到碳纳米管的两端，建立电极连接。
3、在事先加工好的金属钪电极对上加交流电压，把分散好的碳纳米管的溶液滴到电极对上，利用电泳的原理，在交流电压的诱导下把碳管排列到钪电极上，建立电极连接。
本发明的方法简单实用，其能够实现n型接触的机理是：由于碳纳米管的准一维特性，金属与半导体型碳纳米管接触时没有费米面钉扎效应，从而二者接触形成的Schottky势垒高度主要由碳纳米管和金属材料的功函数差决定。碳纳米管的费米能级为4.5eV，直径1.5nm的单壁碳纳米管的能隙约0.6eV，因此碳纳米管的价带底约为4.2eV。为实现n型接触必须选择功函数低于4.5eV的金属材料做电极。虽然Al(4.3eV)，Mg(3.60eV)，Ca(2.87eV)的功函数较低，但它们在空气中极易氧化，难以获得性能稳定的n型接触；氧的吸附也会导致金属功函数的升高，从而导致Schottky势垒的升高；另外这三种金属与碳纳米管的浸润性也不好，这些都导致了利用Al，Mg，Ca难以与碳纳米管形成高性能的n型接触。已有的研究结果都表明用Al，Mg，Ca作为电极材料的器件的性能较差。而钪(Sc)的功函数为3.3eV(＜4.2eV)，在空气中也比较稳定(有研究表明氧的吸附会使Sc的功函数降得更低)，而且我们的研究表明Sc与碳纳米管的浸润性能也比较好，因此Sc能够与碳纳米管形成性能很好的欧姆接触，不仅可以得到性能稳定的n型器件，而且可以实现电子的弹道输运。用Sc做电极的碳纳米管场效应晶体管的开关电流比可以超过106，开态电流可以达到20μA以上，电子的迁移率可以超过2000cm2/Vs。
本发明提出了利用Sc作为金属电极材料与碳纳米管形成高性能接触的思想，不仅可以用于制备高性能的n型碳纳米管场效应晶体管，也可以用于制备以碳纳米管为基的其他各种高性能的纳电子器件，包括生物以及化学传感器件。根据上面的机理分析，以及本发明所附实施例的数据表明，利用Sc做电极材料制备出的碳纳米管纳电子器件(包括场效应晶体管、生物及化学传感器件等)不仅性能优异、稳定，而且制备方法简单易行。本发明对推动纳电子器件的实用化进程具有非常重要的意义，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1是以SiO2为底栅结构的碳纳米管场效应晶体管的结构示意图。
图2是以钪为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管(直径为5nm)场效应晶体管的转移特性图。
图3是以钪为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管(直径为5nm)场效应晶体管的输出特性图。
图4是以钪为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管(直径为2.5nm)场效应晶体管的转移特性图。
图5是源(S)、漏(D)、栅(G)电极材料均为钪的顶栅结构的碳纳米管场效应晶体管的结构示意图。
图6是在扫描电镜中利用金属钪做针尖的探针与碳纳米管建立电极接触的照片。
图7是在透射电镜中利用金属钪做针尖的探针与碳纳米管建立电极接触的照片。
图8是利用交流电泳法把碳纳米管排列到金属钪电极对上建立电极接触的照片。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例进一步详细说明本发明，但不以任何方式限制本发明。
实施例1：以钪(Sc)为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管场效应晶体管及其制备
如图1所示的以SiO2为栅介质4、以Si为背栅5结构的单壁碳纳米管场效应晶体管，其源(S)2、漏(D)3电极材料为钪(Sc)，位于单壁碳纳米管1的两端。具体制备步骤如下：
1.通过CVD生长，或者把分散好的碳管溶液滴到衬底上，从而获得位于Si/SiO2衬底上的碳纳米管；
2.通过扫描电镜或原子力显微镜观察，记录下碳纳米管的具体位置；
3.在碳纳米管上涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成电极的形状；
4.将光刻好的样品放进电子束蒸发系统中，抽真空至3×10-8Torr左右，以1A/s的速率蒸镀一层30nm厚的金属Sc；
5.将样品放进丙酮中剥离，去除不需要的金属层即得到以SiO2为栅介质、以Si为背栅结构的碳纳米管场效应晶体管。
用上述方法制备出的器件性能如图2、图3和图4所示：
当单壁碳纳米管的直径为5nm时，制备出的以钪(Sc)为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管场效应晶体管的转移特性和输出特性分别如图2和图3所示，图2表明室温下该器件的开态电阻约为44kΩ，为n型欧姆接触，图3表明器件的饱和电流可以超过20μA。
当单壁碳纳米管的直径为2.5nm时，制备出的以钪(Sc)为源漏电极的底栅结构的单壁碳纳米管场效应晶体管的转移特性如图4所示，在0.5V的偏压下该器件的开关电流比可达106。
以上结果表明用钪(Sc)做为金属电极材料的确能够与碳纳米管形成高性能的n型接触。
实施例2：以Sc为顶栅结构的碳纳米管场效应晶体管及其制备
如图5所示的以Sc为顶栅结构的碳纳米管场效应晶体管，其源(S)8、漏(D)10、栅(G)6电极材料均为钪(Sc)，单壁碳纳米管11位于Al2O3栅介质层7之下、SiO2 9和Si12组成的衬底之上。具体制备包括下列步骤：
1.通过CVD生长，或者把分散好的碳管溶液滴到衬底上获得位于Si/SiO2衬底上的碳纳米管；
2.通过扫描电镜或原子力显微镜观察记录下碳纳米管的具体位置；
3.在碳纳米管上涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成栅电极的形状；
4.将样品放进原子层沉积系统中生长一层栅介质层(ZrO2，Al2O3或HfO2)；
5.将样品放进丙酮中剥离，去除不需要的介质层；
6.涂光刻胶并通过光学曝光或者电子束光刻形成源、漏、栅电极的形状；
7.将光刻好的样品放进电子束蒸发系统中，抽真空至3×10-8Torr左右，以1A/s的速率蒸镀一层30nm厚的金属Sc；
8.将样品放进丙酮中剥离，去除不需要的金属层即得到以Sc为顶栅结构的碳纳米管场效应晶体管。
实施例3：利用纳米探针操纵系统将金属钪针尖与碳纳米管连接起来
1.获得碳纳米管；
2.利用金属钪(Sc)做探针的针尖，在扫描电镜或透射电镜的辅助下，把钪针尖14直接接触到碳纳米管13的两端即建立电极连接。如图6(扫描电镜中)、图7(透射电镜中)所示。
实施例4：利用交流电泳法把碳纳米管排列到金属钪电极上
1.制备出金属钪电极对；
2.把分散好的碳纳米管溶液滴到电极对上；
3.在电极对上加10V、100KHz的交流电压信号，即可把碳纳米管16排列到钪电极15上，建立电极连接。如图8所示。

Claims (4)

1.一种以碳纳米管为基的纳电子器件，包括半导体型碳纳米管和与之连接的电极，其特征在于：所述电极是金属钪电极，金属钪电极与半导体型碳纳米管形成n型欧姆接触。
2.一种以碳纳米管为基的纳电子器件的制备方法，采用金属钪作为电极材料，通过如下方法在金属钪与半导体型碳纳米管之间建立n型欧姆接触电极连接：首先通过光刻在碳纳米管周围形成电极的形状，再蒸镀一层金属钪，然后剥离去除不需要的金属层。
3.一种以碳纳米管为基的纳电子器件的制备方法，采用金属钪作为电极材料，通过如下方法在金属钪与半导体型碳纳米管之间建立n型欧姆接触电极连接：在扫描电镜或透射电镜中，用金属钪做探针的针尖，利用纳米探针操纵系统将钪针尖直接接触到碳纳米管的两端。
4.一种以碳纳米管为基的纳电子器件的制备方法，采用金属钪作为电极材料，通过如下方法在金属钪与半导体型碳纳米管之间建立n型欧姆接触电极连接：在金属钪电极对上加交流电压，把分散好的碳纳米管的溶液滴到金属钪电极对上，在交流电压的诱导下把碳管排列到钪电极上。
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