JP2011517854A - フッ素化カーボンナノチューブを利用した電子デバイス - Google Patents
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Abstract
本発明は、半導体構成要素が、フッ素化オレフィンで官能基化された少なくとも1つのカーボンナノチューブを含む電子機器およびこの電子機器の製造方法である。フッ素化オレフィンでの官能基化により、カーボンナノチューブは半導体性を有するものとなる。
Description
本発明は、その半導体構成要素がフッ素化オレフィンで官能基化された少なくとも1つのカーボンナノチューブを含む電子デバイスおよびこの電子デバイスの製造方法である。
Parkら(非特許文献1)は、密度汎関数計算を用いて、単層カーボンナノチューブ上のフッ素原子の安定した吸収形状について調査した。
Krusicら(特許文献1)は、表面のC−C二重結合に化学的付加反応を起こすことによって官能基化されたフラーレン分子または湾曲したカーボンナノ構造等のカーボン材料について述べている。
プリンタブルエレクトロニクスにおいては、その半導体構成要素がフッ素化オレフィンで官能基化された少なくとも1つのカーボンナノチューブを含む電子デバイスおよびこの電子デバイスの製造方法が求められている。
Physical Review B(2003)68(4).045429/1−045429/8
本発明は、その半導体構成要素がフッ素化オレフィンで官能基化された少なくとも1つのカーボンナノチューブを含む電子デバイスである。
さらに、本発明は、a)フッ素化オレフィンで官能基化された少なくとも1つのカーボンナノチューブを含む半導体構成要素と、b)ソース電極と、c)ドレイン電極と、d)ゲート誘電体膜と、e)ゲート電極と、を備える電子デバイスに関する。
本発明はさらに、パーフルオロ(5−メチル−3,6−ジオキサノナ−1−エン)、トリフルオロエチレン、1−ブロモ−1−クロロジフルオロエチレン、1,1,2,3,3−ペンタフルオロプロペン、ヘプタフルオロ−1−ブテン、パーフルオロヘキセン、ペンタフルオロエチルトリフルオロビニルエーテル、トリフルオロメチルトリフルオロビニルエーテル、ヘプタフルオロプロピルトリフルオロビニルエーテルおよびこれらの混合物からなる群から選択されるフッ素化オレフィンで官能基化されたカーボンナノチューブを含む組成物に関する。
本発明は、フッ素化オレフィンとの付加環化により官能基化された少なくとも1つのカーボンナノチューブを含む半導体構成要素を有する電子デバイスおよびこの電子デバイスの製造方法である。電子デバイスの半導体構成要素は、ソース電極とドレイン電極の間に配置され、これらと接触する半導体材料である。この電子デバイスの例としては、トランジスタがある。
1つの実施形態において、カーボンナノチューブは、電界効果トランジスタの半導体構成要素の半導体材料である。合成された状態のカーボンナノチューブは、金属伝導ナノチューブと半導体ナノチューブの混合物である。金属性および半導体性ナノチューブの混合物の相転移アレイ(percolating array)の導電性は通常、金属性チューブによるものであり、金属性チューブはカーボンナノチューブの体積の約2/3を占めるため、このアレイは金属のような導電性を示す。このようなアレイは、半導体としての挙動を示さないため、トランジスタの半導体構成要素の製造には適していない。カーボンナノチューブを、パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリド(PSEPVE、別称、2−[1−[ジフルオロ[(トリフルオロエテニル)オキシ]メチル]−1,2,2,2−テトラフルオロエトキシ−]−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルホニルフルオリド、CAS[16090−14−5])等のフッ素化オレフィンとの付加環化によって官能基化すると、ナノチューブは主に半導体的な挙動を示すようになることがわかった。したがって、官能基化されたカーボンナノチューブの相転移アレイはほとんど半導体的であり、トランジスタの半導体構成要素の作製に使用してもよい。さらに、半導体が1つまたはいくつかのカーボンナノチューブであるようなトランジスタを構成することが可能となる。フッ素化合物との付加環化によって複数のカーボンナノチューブを官能基化することにより、確実に1バッチ中の個々のナノチューブはほとんど半導体的となり、トランジスタの半導体構成要素として機能することになる。
カーボンナノチューブをフッ素化オレフィンとの付加環化によって官能基化することにより、カーボンナノチューブはほとんど半導体性ナノチューブとなる。官能基化プロセスは、C=C(炭素−炭素二重結合)のsp2炭素の中心をC−C(炭素−炭素単結合)のsp3C−Cの中心に変換し、これによって金属性チューブを半導体性チューブに変換すると考えられている。本発明において、官能基化は、カーボンナノ構造の表面のC−C二重結合に対して化学的付加反応を起こすことによって実現される。付加反応を起こすための好適な方法の1つは付加環化反応であり、たとえばフルオロアルケン同士およびフルオロアルケンと他のアルケンとの間の付加反応によってフルオロシクロブタン環が形成される。これを、本明細書において「2+2」付加環化と呼ぶ。あるいは、フルオロアルケンは「4+2」付加環化においてはジエンと反応できる。別の好適な方法は、フッ素化されたラジカルをC−C二重結合に付加することである。この種のプロセスは、HudlickyがChemistry of Organic Fluorine Compounds,2nd ed. Ellis Horwood Ltd.,1976において、またRico−Lattes,IらがJournal of Fluorine Chemistry,107(2001),355−361において説明している。
本発明の1つの実施形態において、上記のような官能基化プロセスは、一般式1で表される化合物とともにカーボンナノ構造材料を加熱することによってもたらされる反応において実行してもよい。
CF2=CR1R2 式1
式中、R1とR2は個々に、H、F、Cl、Br、CN、分岐または直鎖アルキル、アルキルエーテル、アルコキシ、アルコキシエーテル、フルオロアルキル、フルオロアルキルエーテル、フルオロアルコキシ、フルオロアルコキシエーテル、アリール、アリールオキシ、フルオロアリールまたはフルオロアリールオキシ基であり、任意で、1つまたは複数のH、Cl、Br、カルビノール、カルボキシル酸エステル、カルボキシル酸ハライド、スルホニルフルオリドまたはカルボニトリルで置換してもよい。
CF2=CR1R2 式1
式中、R1とR2は個々に、H、F、Cl、Br、CN、分岐または直鎖アルキル、アルキルエーテル、アルコキシ、アルコキシエーテル、フルオロアルキル、フルオロアルキルエーテル、フルオロアルコキシ、フルオロアルコキシエーテル、アリール、アリールオキシ、フルオロアリールまたはフルオロアリールオキシ基であり、任意で、1つまたは複数のH、Cl、Br、カルビノール、カルボキシル酸エステル、カルボキシル酸ハライド、スルホニルフルオリドまたはカルボニトリルで置換してもよい。
上記の反応により、n個の炭素原子を含む官能基化カーボンナノ材料が生成され、ここで、式2により一般的に表されるm個の官能性分岐が個々に、カーボンナノチューブの不飽和パイ電子系との4員環および/または6員環の形成を通じてカーボンナノチューブと共有結合する。
−C(F2)−C(−)(R1)−R2 式2
−C(F2)−C(−)(R1)−R2 式2
ナノチューブと式1の化合物の両方のC=C結合が開裂し、2+2付加環化が起こると、4員環ができる。さらに、ナノチューブと式1の化合物の両方のC=C結合が開裂し、2+4付加環化が起こると、6員環ができる。環そのものは式2には表されないため、その存在は式中の−C(F2)とC(−)の残基の不完全な結合によって示される。
式1で表される化合物は、市場で容易に入手可能であり、あるいは参照により本明細書に援用される米国特許第3,282,875号明細書および米国特許第3,641,104号明細書に記載された方法で調合できる。市販のフッ素化オレフィンの例としては、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、1−ブロモ−1−クロロジフルオロエチレン、1,1,2,3,3−ペンタフルオロプロペン、ヘプタフルオロ−1−ブテン、パーフルオロヘキセン、ペンタフルオロエチルトリフルオロビニルエーテル、トリフルオロメチルトリフルオロビニルエーテル、ヘプタフルオロプロピルトリフルオロビニルエーテル、パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリド、パーフルオロ(5−メチル−3,6−ジオキサノナ−1−エン)がある。
官能基化カーボンナノチューブを合成するには、ナノチューブをフッ素化オレフィンと接触させ、混合物を作る。フッ素化オレフィンとナノチューブの混合物を、約150〜250Cに5〜24時間、好ましくは、180〜220Cに10〜24時間加熱する。次に、混合物を溶剤で十分に洗浄し、乾燥させる。カーボンナノチューブをフッ素化オレフィンと接触させて形成された生成物は、熱重量分析が可能であり、その結果は、200〜400Cの温度範囲での重量損失を示している。その後、乾燥したカーボンナノチューブをo−ジクロロベンゼン、トルエン、クロロホルムその他等の溶媒中に分散させてもよい。
本発明の1つの実施形態において、カーボンナノチューブとパーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリド(PSEPVE、別称、2−[1−[ジフルオロ[(トリフルオロエテニル)オキシ]メチル]−1,2,2,2−テトラフルオロエトキシ−]−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルホニルフルオリド、CAS[16090−14−5])の混合物を約215Cで18〜24時間加熱した。カーボンナノチューブのC=C単位に対するPSEPVEのモル比は、0.1から8、好ましくは0.3から8、より好ましくは0.3から2であった。
本発明のトランジスタを製造するには、溶媒中に官能基化カーボンナノチューブを分散させたものを、事前に作製された部分的トランジスタ構造に堆積させる。部分的トランジスタ構造とは、トランジスタのその他の素子、たとえばゲート電極とゲート誘電体またはソースおよびドレイン電極を備えるものである。標準的なトランジスタ構成は、トップゲート型とボトムゲート型である。トップゲート構成では、ソースおよびドレイン電極が基板上に積層され、その上に半導体、ゲート誘電体およびゲート電極が積層される。ボトムゲート構造では、基板の上にゲート電極が積層され、そのゲート電極の上に半導体およびソース、ドレイン電極が積層される。部分的トランジスタ構造は、基板上にトップゲート構成またはボトムゲート構成のいずれかで作製される。ソース電極とドレイン電極の間の小さな空間はチャネルと呼ばれ、ここにトランジスタの半導体構成要素が設けられる。図1Aはボトムゲート型を示し、ソースおよびドレイン電極4、5がゲート誘電体3の上に配置されている。ゲート誘電体は、ゲート電極2の両面のうちの少なくとも片面に配置される。ゲート電極の少なくとも片面は、基板1と接触する。ソースおよびドレイン電極は電子導電体であり、蒸着、スパッタリングまたは、溶媒中に金属粒子を分散させ、この溶媒を乾燥させる方法等、各種の方法で作製できる。半導体構成要素6は、官能基化カーボンナノチューブを分散させたものから作製される。カーボンナノチューブの分散液は、ボトムゲート構成の場合、ゲート誘電体の上のソースおよびドレイン電極の上に積層される。スピンコーティング、印刷またはインクジェット印刷により、半導体構成要素としてのカーボンナノチューブの分散物をソースおよびドレイン電極の上に積層させることができ、その後、乾燥により、溶媒を蒸発させる。乾燥された分散物は、ソース電極とドレイン電極との間のチャネルで、これらと接触した官能基化カーボンナノチューブの相転移アレイを形成する。図1Bに示されるトップゲート型トランジスタの場合、ソースおよびドレイン電極8、9がデバイス基板7の上に積層され、カーボンナノチューブからなる半導体10が、ソースとドレインの上に直接塗布される。次に、電気的絶縁層となるゲート誘電体11が半導体構成要素の上に積層される。ゲート誘電体はまた、酸化金属の分散液として印刷してもよい。その後、導電体であるゲート電極12がゲート誘電体の上に積層される。ゲート電極はまた、金属粒子の分散液を印刷したものであってもよい。
あるいは、ボトムゲート型の場合、トランジスタはゲート電極が基板上に直接積層されるように製造してもよく、またはドーピングしたSiウェハでは、基板がゲートでもある。ゲートの積層に続いて、ゲート誘電体が積層される。次に、官能基化カーボンナノチューブからなる半導体構成要素がゲート誘電体の上に堆積され、乾燥される。最後に、ソースおよびドレイン電極を半導体構成要素の上に積層させる。トランジスタの構成要素の上記以外の配置も可能であるが、半導体構成要素はソースとドレイン電極の間に、これらと接触して位置付けられる。
フッ素化オレフィンとの付加環化によって官能基化された少なくとも1つのカーボンナノチューブを含む半導体構成要素は、他の電子デバイス、たとえばダイオード、太陽電池、無線周波数IDタグ、センサおよび、半導体材料を使用するあらゆる電子デバイスの製造に利用できる。
本発明はまた、パーフルオロ(5−メチル−3,6−ジオキサノナ−1−エン)、トリフルオロエチレン、1−ブロモ−1−クロロジフルオロエチレン、1,1,2,3,3−ペンタフルオロプロペン、ヘプタフルオロ−1−ブテン、パーフルオロヘキセン、ペンタフルオロエチルトリフルオロビニルエーテル、トリフルオロメチルトリフルオロビニルエーテル、ヘプタフルオロプロピルトリフルオロビニルエーテルおよびこれらの混合物からなる群から選択されるフッ素化オレフィンで官能基化されたカーボンナノチューブを含む組成物でもある。カーボンナノチューブは、ナノチューブを選択されたフッ素化オレフィンと接触させ、その結果得られた混合物を約215Cに数時間加熱することによって官能基化してもよい。
実施例1
フッ素化SWNTの合成
精製Hipcoカーボンナノチューブ(CNI,Incorporated,Austin Texas)24.3mgをPSEPVE(パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリド、別称、2−[1−[ジフルオロ[(トリフルオロエテニル)オキシ]メチル]−1,2,2,2−テトラフルオロエトキシ−]−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルホニルフルオリド、CAS[16090−14−5]、DuPont,Wilmington DE)0.5mLとともに215℃で24時間加熱した。
フッ素化SWNTの合成
精製Hipcoカーボンナノチューブ(CNI,Incorporated,Austin Texas)24.3mgをPSEPVE(パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリド、別称、2−[1−[ジフルオロ[(トリフルオロエテニル)オキシ]メチル]−1,2,2,2−テトラフルオロエトキシ−]−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルホニルフルオリド、CAS[16090−14−5]、DuPont,Wilmington DE)0.5mLとともに215℃で24時間加熱した。
PSEPVEの化学構造を上に示す。生成物をアセトンとVetrel−XFで十分に洗浄した。生成物を175℃で2時間乾燥させた。最終的質量は32.5mgであった。熱重力分析(TGA)の結果、重量損失は約45%であった。このフッ素化チューブのTGA結果を図2に示す。
上記の手順で得られた官能基化カーボンナノチューブを、o−ジクロロベンゼン(ODCB)中に濃度300mg/Lで分散させた。この混合物を内容積20mLのホーンソニケータに入れ、フルパワーの22%で10分間、超音波処理を行った(750ワット)。この分散液は、2週間経過しても安定であることがわかった。
分散液をその後、ソースおよびドレイン電極がプレパターニングされた清浄なSi/SiO2ウェハの上にコーティングした。酸化物層の厚さは1500Aであった。ウェハをアセトン、続いてイソプロピルアルコールですすぎ、最後に超純水ですすいだ後、窒素銃で乾燥させた。次に、ウェハをアルゴン雰囲気中で1分間、プラズマクリーニングした後、カーボンナノチューブ分散液のスピニングを実施した。このとき、スピンコーティングは100rpmで60秒間行う。その後、ウェハを65℃のホットプレート上に約30分間設置した。さらに、ウェハを窒素充填したグローブボックスに入れて、その電気特性を評価した。電気特性は、標準Agilentユニット4155C、Caifornia City、CAを使って測定した。実施例1のW/L=200/20のデバイスのゲート掃引を図3に示す。ソース/ドレイン電圧を−2ボルトに設定し、ゲート電極を図のように10Vから−100Vまで掃引した。飽和移動度は0.6cm2/Vsecと算出され、オン/オフ比は1.79×103であった。
実施例2
実施例1と同様にデバイスを作製し、ソース/ドレイン電圧を0.1ボルトに設定し、ゲート電圧を図4に示すように−100から100ボルトまで掃引した。飽和移動度とオン/オフ比はそれぞれ、8.8cm2/Vsecと4.7×105であった。
上記の実施例に示されるように、フッ素化ナノチューブは半導体性であり、両極性であり、オン/オフ比は>103であるが、フッ素化されていないもの(以下の実施例3)は金属的挙動を示し、オン/オフ比は3である。
実施例1と同様にデバイスを作製し、ソース/ドレイン電圧を0.1ボルトに設定し、ゲート電圧を図4に示すように−100から100ボルトまで掃引した。飽和移動度とオン/オフ比はそれぞれ、8.8cm2/Vsecと4.7×105であった。
上記の実施例に示されるように、フッ素化ナノチューブは半導体性であり、両極性であり、オン/オフ比は>103であるが、フッ素化されていないもの(以下の実施例3)は金属的挙動を示し、オン/オフ比は3である。
実施例3
Hipco−非フッ素化材料を使った対照サンプルを使用した。市販のHipcoカーボンナノチューブを、o−ジクロロベンゼン(ODCB)中に濃度300mg/Lで分散させた。この混合物を内容積20mLのホーンソニケータに入れ、フルパワーの22%で10分間、超音波処理を行い、上述のようにAuのソースおよびドレイン電極がプレパターニングされた清浄なSi/SiOウェハの上にスピンコーティングした。ゲート掃引は図5に示すように、Vsd:−5VでVgが100から−100Vであった。金属の性質を有する相転移アレイから予想されるように、Ion/Ioffは2.54と非常に低い。
上記のチューブのIV曲線は、金属的挙動をさらに裏付けている。図6のIV曲線に示されるように、電流電圧特性は、ゲート電圧を変化させても変わらない。公称上の飽和移動度は2.98×104である。
Hipco−非フッ素化材料を使った対照サンプルを使用した。市販のHipcoカーボンナノチューブを、o−ジクロロベンゼン(ODCB)中に濃度300mg/Lで分散させた。この混合物を内容積20mLのホーンソニケータに入れ、フルパワーの22%で10分間、超音波処理を行い、上述のようにAuのソースおよびドレイン電極がプレパターニングされた清浄なSi/SiOウェハの上にスピンコーティングした。ゲート掃引は図5に示すように、Vsd:−5VでVgが100から−100Vであった。金属の性質を有する相転移アレイから予想されるように、Ion/Ioffは2.54と非常に低い。
上記のチューブのIV曲線は、金属的挙動をさらに裏付けている。図6のIV曲線に示されるように、電流電圧特性は、ゲート電圧を変化させても変わらない。公称上の飽和移動度は2.98×104である。
実施例4
実施例4では、精製Hipcoカーボンナノチューブ(CNI,Incorporated,Austin Texas)24.3mgをPSEPVE(パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリド、別称、2−[1−[ジフルオロ[(トリフルオロエテニル)オキシ]メチル]−1,2,2,2−テトラフルオロエトキシ−]−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルホニルフルオリド、CAS[16090−14−5])0.1、0.3、0.5、2mLのそれぞれとともに215℃で24時間加熱した。
実施例4では、精製Hipcoカーボンナノチューブ(CNI,Incorporated,Austin Texas)24.3mgをPSEPVE(パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリド、別称、2−[1−[ジフルオロ[(トリフルオロエテニル)オキシ]メチル]−1,2,2,2−テトラフルオロエトキシ−]−1,1,2,2−テトラフルオロエタンスルホニルフルオリド、CAS[16090−14−5])0.1、0.3、0.5、2mLのそれぞれとともに215℃で24時間加熱した。
PSEPVEの化学構造を上に示す。生成物をアセトンとVetrel−XFで十分に洗浄した。生成物を175℃で2時間乾燥させた。
上記の各手順で得られた官能基化カーボンナノチューブを、o−ジクロロベンゼン(ODCB)中に濃度300mg/Lで分散させた。各混合物を内容積20mLのホーンソニケータに入れ、フルパワー(750ワット)の22%で10分間、超音波処理を行った。この分散液は、2週間経過しても安定であることがわかった。
分散液をその後、ソースおよびドレインがプレパターニングされた清浄なSi/SiO2ウェハの上にコーティングした。酸化物層の厚さは1500Aであった。ウェハをアセトン、続いてイソプロピルアルコールですすぎ、最後に超純水ですすいだ後、窒素銃で乾燥させた。次に、ウェハをアルゴン雰囲気中で1分間、プラズマクリーニングした後、カーボンナノチューブ分散液のスピニングを実施した。このとき、スピンコーティングは100rpmで60秒間行う。その後、ウェハを65℃のホットプレート上に約30分間設置した。さらに、ウェハを窒素充填したグローブボックスに入れて、その電気特性を評価した。電気特性は、標準Agilentユニット4155C、Caifornia City、CAを使って測定した。W/L=200/20のデバイスのゲート掃引を行い、オフ電流、移動度、オン/オフ比を表にした。系統的な付加環化反応がFSWNTの相転移アレイの移動度とオフ電流(Ioff)に与える影響を、FSWNT−PSEPVEについて図7に示す。反応物質の濃度(cPSEPVE/cCNT、すなわちSWNTのC=C単位のモルと反応が成功した反応物質のモルの比)の増加に伴い、Ioffが大幅に減少する点が、本発明の鍵である。cPSEPVE/cCNTは、反応から得られた重量をPSEPVEの分子量で割ったものを、カーボンナノチューブのC=C単位のモルで割って計算される。この実施例では、PSEPVEが0.1mLであると、cPSEPVE/cCNTは0.005となり、PSEPVEが0.3mLであると、cPSEPVE/cCNTは0.012となり、PSEPVEが0.5mLであると、cPSEPVE/cCNTは0.019となり、PSEPVEが2mLであると、cPSEPVE/cCNTは0.034となる。
本来のHipcoチューブの相転移アレイから作製したデバイスは、移動度が高く、Ioffも高く、これは、導電経路が金属チューブによるものであることを意味する。PSEPVEの官能基化が増進されると、Ioffは大幅に低下するが、これは金属の浸透経路の数が減るからである。1つの実施形態で、濃度比は0.007<cPSEPVE/cCNT<0.02である。別の実施形態において、この範囲は0.005<cPSEPVE/cCNT<0.035である。0.007<cPSEPVE/cCNT<0.02の範囲においては、高い移動度は保たれるが、Ioffは本来のSWNTと比較して約5桁低下する。別の実施形態では、濃度比は0.007<cPSEPVE/cCNT<0.02である。反応物の濃度が高くなると、移動度は急激に低下し、これは、MとSC−SWNTの電子特性が大きく変化したことを示唆する。線形領域から推定された電界効果移動度は10cm2/V.sec、オン/オフ比は105を超える。
オン/オフ比が105のレベルで最高の移動度は、PSEPVE添加量が0.3−0.5mlのときに得られる。それ以上PSEPVE添加量を増大させると、移動度が急速に低下する。ドレイン電圧を−0.1ボルトに設定し、ゲート電圧を図のように10Vから−100Vに掃引した。
実施例5
実施例5は、単層カーボンナノチューブ(SWNT)を、以下に示す構造のパーフルオロ(5−メチル−3,6−ジオキサノナ−1−エン)(CAS[1644−11−7],Synquest Laboratory,Inc.Alachua,Florida)で官能基化するものである。
実施例5は、単層カーボンナノチューブ(SWNT)を、以下に示す構造のパーフルオロ(5−メチル−3,6−ジオキサノナ−1−エン)(CAS[1644−11−7],Synquest Laboratory,Inc.Alachua,Florida)で官能基化するものである。
市販の精製HiPCO SWNT 24mgを、250℃、圧力<1mbarで1晩乾燥させ、内容積10mLのステンレススチール製管型反応器に移した。パーフルオロ(5−メチル−3,6−ジオキサノナ−1−エン)(分子量=432.06)0.5mLを反応器に加えた。ステンレススチール製管型反応器を窒素下で閉鎖して、ドライアイスで30分間冷却し、その後、N2を排出させた。ステンレス製管型反応器を215℃で24時間、攪拌しながら加熱した。生成物をアセトンとVetrel−XFで十分に洗浄し、残ったフッ素化オレフィンを除去し、0.2ミクロンPTFE膜で濾過した。回収された官能基化カーボンナノチューブを175℃、真空下で2時間乾燥させた。次に、官能基化SWNTを濃度300mg/LでODCBに分散させ、10分間ホーンソニケータで超音波処理した。
分散液を次に、ソースとドレインがプレパターニングされた清浄なSi/SiO2ウェハの上にコーティングした。酸化物層の厚さは1500Aであった。ウェハをアセトン、次にイソプロピルアルコールですすぎ、最後に超純水ですすいだ後、窒素銃で乾燥させた。続いて、ウェハをアルゴン雰囲気中で1分間、プラズマクリーニングした後、カーボンナノチューブ分散液のスピニングを実施した。このとき、スピンコーティングは100rpmで60秒間行う。その後、ウェハを65℃のホットプレート上に約30分間設置した。次に、ウェハを窒素充填したグローブボックスに入れて、その電気特性を評価した。電気特性は、標準Agilentユニット4155C、Caifornia City、CAを使って測定した。W/L=200/20のデバイスのゲート掃引を行い、図8に示すように、移動度は110cm2/Vsec、オン/オフ比は3×105と計算された。
実施例6
単層カーボンナノチューブ(SWNT)を、テトラフルオロエチレン(TFE)(CF2=CF2)で官能基化した。市販の精製HiPCO SWNT 24mgを、250℃、圧力<1mbarで1晩乾燥させた。次に、チューブをガラス製反応容器に移した。反応容器を窒素ガスでパージし、残留酸素ガスと水分を除去した。その後、テトラフルオロエチレンを反応容器中に導入し、圧力を20psiに保った。反応容器を常に振動させながら215℃で1晩加熱した。生成物をアセトンとVetrel−XFで十分に洗浄し、0.2ミクロンPTFE膜で濾過した。回収された官能基化カーボンナノチューブを175C、真空下で2時間乾燥させた。次に、官能基化SWNTを濃度300mg/LでODCBに分散させ、10分間ホーンソニケータで超音波処理した。
単層カーボンナノチューブ(SWNT)を、テトラフルオロエチレン(TFE)(CF2=CF2)で官能基化した。市販の精製HiPCO SWNT 24mgを、250℃、圧力<1mbarで1晩乾燥させた。次に、チューブをガラス製反応容器に移した。反応容器を窒素ガスでパージし、残留酸素ガスと水分を除去した。その後、テトラフルオロエチレンを反応容器中に導入し、圧力を20psiに保った。反応容器を常に振動させながら215℃で1晩加熱した。生成物をアセトンとVetrel−XFで十分に洗浄し、0.2ミクロンPTFE膜で濾過した。回収された官能基化カーボンナノチューブを175C、真空下で2時間乾燥させた。次に、官能基化SWNTを濃度300mg/LでODCBに分散させ、10分間ホーンソニケータで超音波処理した。
分散液を次に、ソースとドレインがプレパターニングされた清浄なSi/SiO2ウェハの上にコーティングした。酸化物層の厚さは1500Aであった。ウェハをアセトン、次にイソプロピルアルコールですすぎ、最後に超純水ですすいだ後、窒素銃で乾燥させた。続いて、ウェハをアルゴン雰囲気中で1分間、プラズマクリーニングした後、カーボンナノチューブ分散液のスピニングを実施した。このとき、スピンコーティングは100rpmで60秒間行う。その後、ウェハを65℃のホットプレート上に約30分間設置した。次に、ウェハを窒素充填したグローブボックスに入れて、その電気特性を評価した。電気特性は、標準Agilentユニット4155C、Caifornia City、CAを使って測定した。図9に示すようにW/L=200/20のデバイスのゲート掃引を行い、移動度は10.8cm2/Vsec、オン/オフ比は5.22×103と算出した。
Claims (14)
- 半導体構成要素を含む電子デバイスであって、半導体構成要素は、フッ素化オレフィンで官能基化された少なくとも1つのカーボンナノチューブを含む、上記電子デバイス。
- 少なくとも1つのカーボンナノチューブは、カーボンナノチューブの浸透アレイである請求項1に記載の電子デバイス。
- a)ソース電極と、
b)ドレイン電極と、
c)ゲート誘電体と、
d)ゲート電極と、
をさらに含む、請求項1に記載の電子デバイス。 - フッ素化オレフィンは、パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリド、パーフルオロ(5−メチル−3,6−ジオキサノナ−1−エン)、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、1−ブロモ−1−クロロジフルオロエチレン、1,1,2,3,3−ペンタフルオロプロペン、ヘプタフルオロ−1−ブテン、パーフルオロヘキセン、ペンタフルオロエチルトリフルオロビニルエーテル、トリフルオロメチルトリフルオロビニルエーテル、ヘプタフルオロプロピルトリフルオロビニルエーテルおよびこれらの混合物からなる群から選択される請求項1に記載の電子デバイス。
- フッ素化オレフィンは、パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリドであり、濃度比、cpsepve/ccntは、0.005から0.035の間である請求項4に記載の電子デバイス。
- フッ素化オレフィンは、パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリドであり、濃度比、cpsepve/ccntは、0.007から0.02の間である請求項4に記載の電子デバイス。
- 電子デバイスはトランジスタである請求項1に記載の電子デバイス。
- a)ソースおよびドレイン電極を含む基板を備えるステップと、
b)基板上に、フッ素化オレフィンで官能基化された少なくとも1つのカーボンナノチューブを堆積させるステップと、
を含む方法。 - 少なくとも1つのカーボンナノチューブは相転移アレイである請求項8に記載の方法。
- a)基板を備えるステップと、
b)基板上に、フッ素化オレフィンで官能基化された少なくとも1つのカーボンナノチューブを堆積させるステップと、
c)カーボンナノチューブのアレイの上にソースおよびドレイン電極を堆積させるステップと、
を含む方法。 - 少なくとも1つのカーボンナノチューブは、浸透アレイである請求項10に記載の方法。
- フッ素化オレフィンは、パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリド、パーフルオロ(5−メチル−3,6−ジオキサノナ−1−エン)、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、1−ブロモ−1−クロロジフルオロエチレン、1,1,2,3,3−ペンタフルオロプロペン、ヘプタフルオロ−1−ブテン、パーフルオロヘキセン、ペンタフルオロエチルトリフルオロビニルエーテル、トリフルオロメチルトリフルオロビニルエーテル、ヘプタフルオロプロピルトリフルオロビニルエーテルおよびこれらの混合物からなる群から選択される請求項8に記載の方法。
- フッ素化オレフィンは、パーフルオロ(4−メチル−3,6−ジオキサオクタ−7−エン)スルホニルフルオリド、パーフルオロ(5−メチル−3,6−ジオキサノナ−1−エン)、テトラフルオロエチレン、トリフルオロエチレン、1−ブロモ−1−クロロジフルオロエチレン、1,1,2,3,3−ペンタフルオロプロペン、ヘプタフルオロ−1−ブテン、パーフルオロヘキセン、ペンタフルオロエチルトリフルオロビニルエーテル、トリフルオロメチルトリフルオロビニルエーテル、ヘプタフルオロプロピルトリフルオロビニルエーテルおよびこれらの混合物からなる群から選択される請求項10に記載の方法。
- パーフルオロ(5−メチル−3,6−ジオキサノナ−1−エン)、トリフルオロエチレン、1−ブロモ−1−クロロジフルオロエチレン、1,1,2,3,3−ペンタフルオロプロペン、ヘプタフルオロ−1−ブテン、パーフルオロヘキセン、ペンタフルオロエチルトリフルオロビニルエーテル、トリフルオロメチルトリフルオロビニルエーテル、ヘプタフルオロプロピルトリフルオロビニルエーテルおよびこれらの混合物からなる群から選択されるフッ素化オレフィンで官能基化されたカーボンナノチューブを含む組成物。
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