CN105529402B - 基于无序网状碳纳米管的p‑n结二极管及其制备方法 - Google Patents

基于无序网状碳纳米管的p‑n结二极管及其制备方法 Download PDF

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Abstract

一种基于无序网状碳纳米管的p‑n结二极管及其制备方法，通过在基片上的碳纳米管薄膜的两端通过电子束光刻和磁控溅射制成Au电极，然后通过旋涂光刻胶并选择性曝光后将碳纳米管薄膜的一端浸泡于六氯锑酸三乙基氧鎓溶液中形成p型掺杂区，将另一端浸泡于聚乙烯亚胺溶液中形成n型掺杂区，制备得到p‑n结二极管。本发明采用无序网状碳纳米管，制备得到的器件具有优良的整流特性，在室温空气中性能稳定。本发明通过改变无序网状碳纳米管的密度、器件的结构尺寸以及掺杂参数，可以自由实现对二极管性能进行调控。

Description

基于无序网状碳纳米管的p-n结二极管及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种二极管制作技术，具体是一种基于无序网状碳纳米管的p-n结二极管及其制备方法。
背景技术
碳纳米管是一种具有优异的机械性能和电子性能的一维纳米材料，被认为是制作未来纳米器件的首选。目前，基于单根碳纳米管的二极管已经被成功制作出来。然而，在实际应用中，将单根碳纳米管组装到两个电极上在技术上具有很大的挑战。而且单根器件性能的重复性也受到碳纳米管纯化工艺的限制。无序网状碳纳米管具有制备工艺简单，能够实现器件性能的重复性等特点，因此在实际应用中可以被用来替代单根碳纳米管器件。
与单根碳纳米管二极管类似，无序网状碳纳米管可以通过掺杂的方法来进行构建。利用化学掺杂的方法来调控碳纳米管的导电特性，使无序网状碳纳米管沟道一端呈现p型，而另一端呈现n型，这样就可以制作无序网状碳纳米管p-n结二极管。这种碳纳米管二极管展现出很好的整流特性，而且其性能稳定，可重复性强。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN101656278，公开(公告)日2010.02.24，公开了一种能源领域的基于无序网状碳纳米管薄膜的太阳能微电池的制备方法，采用自组装技术制备得到无序网状碳纳米管薄膜，使用甲烷等离子体选择性刻蚀法或大电流烧断法去除金属性碳纳米管，得到大面积的无序网状半导体性碳纳米管薄膜作为太阳能微电池的光敏材料。使用具有非对称功函数的金属分别作为器件的非对称电极与半导体碳纳米管接触，在半导体碳纳米管的两端接触处分别形成非对称结，从而在单壁半导体碳纳米管内形成强的内建电场，促使光生电子-空穴对分离。但该技术需要制作两种不同的金属电极，从而导致工艺较为复杂。
发明内容
本发明针对上述现有技术的缺陷和不足，提出一种基于化学掺杂的无序网状碳纳米管p-n结二极管及其制备方法，该器件具有良好的整流特性和性能稳定性。
本发明通过以下技术方案实现：
本发明涉及一种基于无序网状碳纳米管的p-n结二极管的制备方法，通过在基片上的碳纳米管薄膜的两端通过电子束光刻和磁控溅射制成Au电极，然后通过旋涂光刻胶并选择性曝光后将碳纳米管薄膜的一端浸泡于六氯锑酸三乙基氧鎓溶液中形成p型掺杂区，将另一端浸泡于聚乙烯亚胺溶液中形成n型掺杂区，制备得到p-n结二极管。
所述的碳纳米管薄膜为无序网状单壁半导体性碳纳米管薄膜，采用但不限于直接生长法或转移法制备得到。
所述的单壁半导体性碳纳米管，直径为0.9～1.8nm，长度为2～5μm。
所述的基片采用但不限于具有SiO2热氧化层的硅片。
所述的金属电极为对称或非对称电极，优选为Au对称电极或Pd和Al形成的非对称电极。
所述的金属电极的宽度为0.5～5μm，对电极间距离为6～10μm。
所述的选择性曝光是指：碳纳米管被曝光的部分经显影和定影之后将被暴露在空气中。未曝光的部分将受到光刻胶PMMA的保护。
所述的选择性曝光，其尺寸可以根据所用无定形碳纳米管薄膜沟道尺寸进行调节，一般为0.5*1μm～5*3μm。
所述的光刻胶分两层：第一层分子量495的PMMA光刻胶，厚度约为200nm，第二层分子量950的PMMA光刻胶，厚度约为100nm。
所述的光刻胶，优选在每层旋涂后在高温下进行烘胶。
所述的六氯锑酸三乙基氧鎓溶液(OA)的溶剂为二氯乙烷，该溶液的浓度优选为10mg/mL。
所述的聚乙烯亚胺溶液(PEI)的溶剂为甲醇，该溶液的浓度优选为20wt％。
本发明涉及上述方法制备得到的基于无序网状碳纳米管的p-n结二极管，依次包括：基底、热氧化层、碳纳米管薄膜层和电极层，其中碳纳米管薄膜层包括：分别位于薄膜两端的六氯锑酸三乙基氧鎓掺杂区、聚乙烯亚胺掺杂区以及位于薄膜中间的未掺杂区。
本发明涉及上述基于无序网状碳纳米管的p-n结二极管的应用，将其用于制备如太阳能电池等光伏器件。
技术效果
与现有技术相比，本发明采用无序网状碳纳米管，制备得到的器件具有优良的整流特性，在室温空气中性能稳定。本发明通过改变无序网状碳纳米管的密度、器件的结构尺寸以及掺杂参数，可以自由实现对二极管性能进行调控。
附图说明
图1为实施例1制备的无序网状碳纳米管p-n结二极管的结构示意图；
图中：未经过掺杂的无定形碳纳米管1、经OA掺杂的无定形碳纳米管2、经PEI掺杂的无定形碳纳米管3、金属Au电极4、SiO2层5、硅基底6。
图2为实施例2制备的不同掺杂条件下无序网状碳纳米管p-n结二极管的I-V曲线。
具体实施方式
实施例1
本实施例包括以下步骤：
第一步，利用静电自组装技术在硅片表面自组装一层密度为1.5μm-2的无序网状碳纳米管薄膜。
第二步，利用紫外光刻电子束光刻和磁控溅射技术在无序网状碳纳米管两端制作Au对称电极(如图1)，电极宽度为5μm，对电极间距离为6μm。
第三步，利用离子刻蚀技术刻蚀掉无定形网络碳纳米管沟道旁侧多余的碳纳米管。
第四步，基片上涂敷电子束光刻胶，利用电子束光刻技术对无序网状碳纳米管的一端进行开窗口曝光，窗口尺寸为5μm*3μm。无序网状碳纳米管沟道被曝光的一端经显影和定影之后将被暴露在空气中。未曝光的一端将受到光刻胶PMMA的保护。
将器件浸泡于六氯锑酸三乙基氧鎓溶液(OA)中，室温保持1小时，暴露在外的无序网状碳纳米管沟道将实现p型掺杂，然后用丙酮去除光刻胶。
以同样的方式再次涂敷光刻胶PMMA，将无序网状碳纳米管沟道的另一端进行开窗口曝光，窗口尺寸为5μm*3μm，并将其浸泡于聚乙烯亚胺溶液(PEI)中，室温保持6小时，从而实现n型掺杂。用丙酮去除光刻胶，得到具有对称电极的无定形网络碳纳米管沟道p-n结二极管。
将本实施例得到的无定形网络碳纳米管p-n结二极管在黑暗的条件下进行I-V性能测试，测量电压范围为-10V到+10V。结果表明随着正向电压的增大，器件电流以指数的方式增加；在施加反向偏压时，器件几乎没有电流，器件表现出良好的整流特性。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
第一步，利用静电自组装技术在硅片表面自组装一层密度为1.5μm-2的无序网状碳纳米管薄膜。
第二步，利用电子束光刻和磁控溅射技术在碳纳米管两端制作Au对称电极，电极宽度为5μm，对电极间距离为6μm。
第三步，利用离子刻蚀技术刻蚀掉无序网状碳纳米管沟道旁侧多余的碳纳米管。
第四步，基片上涂敷电子束光刻胶，利用电子束光刻技术对碳纳米管的一端进行开窗口曝光，窗口尺寸为5μm*2μm。无序网状碳纳米管沟道被曝光的部分(5μm*2μm)经显影和定影之后将被暴露在空气中。未曝光的部分(5μm*4μm)将受到光刻胶PMMA的保护。将器件浸泡于六氯锑酸三乙基氧鎓溶液(OA)中，室温保持1小时，暴露在外的无序网状碳纳米管沟道将实现p型掺杂，用丙酮去掉光刻胶。
以同样的方式再次涂敷光刻胶PMMA，将无序网状碳纳米管沟道的另一端进行开窗口曝光，窗口尺寸为5μm*2μm，并将其浸泡于聚乙烯亚胺溶液(PEI)中，室温保持6小时，从而实现n型掺杂。用丙酮去除光刻胶，中间未经掺杂的无序网状碳纳米管沟道部分(5μm*2μm)保持碳纳米管的原始状态，从而得到具有对称电极的无定形网络碳纳米管沟道p-i-n结二极管。
将本实施例得到的无定形网络碳纳米管p-i-n结二极管在黑暗的条件下进行I-V性能测试，测量电压范围为-10V到+10V。结果表明随着i区的出现，器件电流将减小，这主要是由于i区的出现导致串联电阻的增加。通过改变i区的尺寸可以有效调控器件的性能。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
第一步，利用静电自组装技术在硅片表面自组装具有密度为1.5μm-2的无序网状碳纳米管薄膜。
第二步，利用电子束光刻和磁控溅射技术在碳纳米管两端制作Au对称电极，电极宽度为5μm，对电极间距离为6μm。
第三步，利用离子刻蚀技术刻蚀掉无序网状碳纳米管沟道旁侧多余的碳纳米管。
第四步，基片上涂敷电子束光刻胶，利用电子束光刻技术对碳纳米管的一端进行开窗口曝光，5μm*2μm。无序网状碳纳米管沟道被曝光的部分经显影和定影之后将被暴露在空气中。未曝光的部分将受到光刻胶PMMA的保护。将器件浸泡于六氯锑酸三乙基氧鎓溶液(OA)中，室温保持0.5小时，暴露在外的碳纳米管一端将实现p型掺杂，用丙酮去掉光刻胶。
第五步，以同样的方式再次涂敷光刻胶PMMA，将无序网状碳纳米管沟道的另一端进行开窗口曝光，窗口尺寸为5μm*2μm，并将其浸泡于聚乙烯亚胺溶液(PEI)中，室温保持6小时，从而实现n型掺杂。用丙酮去除光刻胶，中间未经掺杂的无序网状碳纳米管沟道部分(5μm*2μm)保持碳纳米管的原始状态，从而得到具有对称电极的无定形网络碳纳米管沟道p-i-n结二极管。
第六步，依次增加六氯锑酸三乙基氧鎓溶液(OA)的掺杂时间到1小时，5小时；同时增加聚乙烯亚胺溶液(PEI)的掺杂时间到12小时，18小时。
将本实施例得到的具有不同掺杂参数的无序网状碳纳米管p-i-n结二极管在黑暗的条件下进行I-V性能测试，如图2所示，结果表明通过改变掺杂时间可以调整二极管器件的性能。随着掺杂时间的延长，器件整流比增大。
上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，本发明的保护范围以权利要求书为准且不由上述具体实施所限，在其范围内的各个实现方案均受本发明之约束。

Claims (8)

1.一种基于无序网状碳纳米管的p-n结二极管的制备方法，其特征在于，通过在基片上的碳纳米管薄膜的两端通过电子束光刻和磁控溅射制成Au电极，然后通过旋涂光刻胶并选择性曝光后将碳纳米管薄膜的一端浸泡于六氯锑酸三乙基氧鎓溶液中形成p型掺杂区、将另一端浸泡于聚乙烯亚胺溶液中形成n型掺杂区，通过改变无序网状碳纳米管的密度、器件的结构尺寸以及掺杂参数，制备得到p-n结二极管；
所述的碳纳米管薄膜为无序网状单壁半导体性碳纳米管薄膜，该单壁半导体性碳纳米管，直径为0.9～1.8nm，长度为2～5μm；
所述的器件的结构尺寸，即曝光窗口，其尺寸为5μm*3μm或5μm*2μm；
所述的掺杂参数，即六氯锑酸三乙基氧鎓溶液的浓度为10mg/mL；所述的聚乙烯亚胺溶液的浓度为20wt％。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的Au电极为对称或非对称电极。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的Au电极的宽度为0.5～5μm，对电极间距离为6～10μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的选择性曝光是指：碳纳米管被曝光的部分经显影和定影之后将被暴露在空气中，未曝光的部分将受到光刻胶PMMA的保护。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的光刻胶分两层：第一层分子量495的PMMA光刻胶，第二层分子量950的PMMA光刻胶。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征是，所述的六氯锑酸三乙基氧鎓溶液的溶剂为二氯乙烷，所述的聚乙烯亚胺溶液的溶剂为甲醇。
7.一种根据上述任一权利要求所述方法制备得到的基于无序网状碳纳米管的p-n结二极管，其特征在于，依次包括：基底、热氧化层、碳纳米管薄膜层和电极层，其中碳纳米管薄膜层包括：分别位于薄膜两端的六氯锑酸三乙基氧鎓掺杂区、聚乙烯亚胺掺杂区以及位于薄膜中间的未掺杂区。
8.一种根据权利要求1～6中任一所述方法制备得到的基于无序网状碳纳米管的p-n结二极管的应用，其特征在于，将其用于制备太阳能电池。
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