KR102299779B1

KR102299779B1 - 정렬된 탄소나노튜브의 플로팅 증발 조립

Info

Publication number: KR102299779B1
Application number: KR1020197029538A
Authority: KR
Inventors: 마이클 스캇 아놀드; 파드마 고팔란; 제럴드 조지프 브래디; 용호 주; 해롤드 티. 에벤센
Original assignee: 위스콘신 얼럼나이 리서어치 화운데이션
Priority date: 2014-02-11
Filing date: 2015-02-11
Publication date: 2021-09-08
Also published as: EP3105175A4; CN106061894B; KR20190117808A; CN106061894A; KR20160122196A; EP3105175A1; EP3105175B1; EP4023597A1; US20160254468A1; JP2017512179A; US20150228897A1; ES2887111T3; WO2015123251A1; KR102032264B1; JP6940571B2; JP2020073426A; JP6595507B2; US9728734B2; US9368723B2

Abstract

본 발명은 고도의 나노튜브 정렬도를 갖는 반도체성 단일벽 탄소나노튜브의 고밀도 막이 제공한다. 또한, 본 발명은 상기 막을 제조하는 방법 및 상기 막을 전도성 채널 물질로서 포함하는 전계 효과 트랜지스터(FET)를 제공한다. 단일벽 탄소나노튜브는 수성 매질의 표면 전반에 걸쳐 분포되는 가용화된 단일벽 탄소나노튜브를 함유하는 유기 용매의 박층으로부터 퇴적되며, 이는 고체 기판과의 접촉 시에 증발 자가-조립을 유도한다.

Description

정렬된 탄소나노튜브의 플로팅 증발 조립{FLOATING EVAPORATIVE ASSEMBLY OF ALIGNED CARBON NANOTUBES}

<관련 출원의 교차 참조>

본원은 2014년 2월 11일에 출원된 미국정규출원 14/177,828에 대한 우선권을 향유하고, 그의 내용 전체는 참조로서 포함된다.

단일벽 탄소나노튜브(SWCNTs)는 그들의 흥미로운 물리화학적 특성으로 인해 나노스케일 과학기술에서 주요한 건축 블록(key building block)이다. SWCNT는 고속 및 저 출력 반도체 전자장비에 대해 특히 유망하다. 그러나, 이러한 건축 블록을 체계적으로 조직화하여 조직화된 조립체, 궁극적으로 유용한 장치를 얻는 것은 도전적이다. 무작위 네트워크 SWCNT 박막이 감소된 채널 전도도 및 이동성을 포함하는 차선의(sub-optimal) 전기적 특성을 가져오기 때문에, 정돈된 구조가 필요하다. 이러한 결점을 해결하고 더 높은 전도도 및 이동성을 달성하기 위하여, 다수의 SWCNT를 정렬하기 위한 기술들이 탐구되었다. 이러한 접근법은 두 개의 주된 카테고리로 분리될 수 있다: (a) 화학 기상 증착법 및 아크-방전(arc-discharge)을 통한 직접 성장, 및 (b) 후 합성 조립(post synthetic assembly). 직접 성장의 경우에, 금속성 및 반도체성 SWCNT 모두가 제조된다. 이 경우에, SWCNT 전계 효과 트랜지스터(FETs)의 성능은 금속성 SWCNTs(m-SWCNTs)에 의해 제한되기 때문에, 동질의 전자 특성을 갖는 반도체성 SWCNT(s-SWCNTs) 샘플을 정제하려는 시도에 대한 동기를 부여한다.

m-SWCNT 및 s-SWCNT를 그들의 특정 물리적 및 전자적 구조에 따라 분리하는 다양한 후-합성 분류 방법이 개발되었으며, 이러한 방법은 보통 수성 용액 또는 유기 용액에서 수행된다. 이러한 용액-기반의 분류 접근법에 의해 반도체 전자 장치에서 제조될 수 있는 고 순도의 s-SWCNT의 이점을 취하기 위하여, s-SWCNT를 조립하고 정렬하는 용액-기반의 방법, 예를 들어, 증발-추진 자가-조립법, 블로운 기포 조립법(blown-bubble assembly), 가스 흐름 자가-조립법, 스핀-코팅법, 랭뮤어-블로젯 및 -쉐이퍼 방법, 컨택트 프린팅 조립법(contact printing assembly) 및 AC 전기영동법이 개발되었다 (Shastry, T. A.; Seo, J. W.; Lopez, J. J.; Arnold, H. N.; Kelter, J. Z.; Sangwan, V. K.; Lauhon, L. J.; Marks, T. J.; Hersam, M. C. Large-area, electronically monodisperse, aligned single-walled carbon nanotube thin films fabricated by evaporation-driven self-assembly. Small 2013, 9, 45-51; Druzhinina, T.; Hoeppener, S.; Schubert, U. S. Strategies for Post-Synthesis Alignment and Immobilization of Carbon Nanotubes. Adv . Mater. 2011, 23, 953-970; Yu, G.; Cao, A.; Lieber, C. M. Large-area blown bubble films of aligned nanowires and carbon nanotubes. Nat. Nanotechnol . 2007, 2, 372-7; Wu, J.; Jiao, L.; Antaris, A.; Choi, C. L.; Xie, L.; Wu, Y.; Diao, S.; Chen, C.; Chen, Y.;Dai, H. Self-Assembly of Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes into Dense, Aligned Rafts. Small 2013, 9, 4142; LeMieux, M. C.; Roberts, M.; Barman, S.; Jin, Y. W.; Kim, J. M.; Bao, Z. Self-sorted, aligned nanotube networks for thin-film transistors. Science 2008, 321, 101-4; Cao, Q.; Han, S. J.; Tulevski, G. S.; Zhu, Y.; Lu, D. D.; Haensch, W. Arrays of single-walled carbon nanotubes with full surface coverage for high-performance electronics. Nat. Nanotechnol . 2013, 8, 180-6; Jia, L.; Zhang, Y.; Li, J.; You, C.; Xie, E. Aligned single-walled carbon nanotubes by Langmuir-Blodgett technique. J. Appl . Phys. 2008, 104, 074318; Liu, H.; Takagi, D.; Chiashi, S.; Homma, Y. Transfer and alignment of random single-walled carbon nanotube films by contact printing. ACS Nano 2010, 4, 933-8 and Shekhar, S.; Stokes, P.; Khondaker, S. I. Ultrahigh density alignment of carbon nanotube arrays by dielectrophoresis. ACS Nano 2011, 5, 1739-46. 참조). 이러한 방법들 각각이 강점을 갖지만, s-SWCNT 조립 및 배열의 정밀성을 향상시키고 실현 가능한 s-SWCNT-기반의 전자 장치의 제작을 가능토록 하는 새로운 방법들이 여전히 필요하다.

고 정렬도의 나노 튜브를 갖는 s-SWCNT의 고밀도 막이 제공된다. 또한, 상기 막을 제조하는 방법 및 상기 막을 전도성 채널 물질로 포함하는 전계 효과 트랜지스터가 제공된다.

본 발명의 일 양태는 s-SWCNT 막에서 s-SWCNT의 도입량-조절된 플로팅 증발 자가-조립 (도입량-조절된 FESA)에 대한 방법을 제공한다.

도입량-조절된 FESA를 사용하여 기판 상에 정렬된 s-SWCNT의 막을 형성하는 방법의 일 구현예는 (a) 소수성 기판을 수성 매질 중에 부분적으로 침지시키는 단계; (b) 유기 용매 중에 분산된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT(semiconductor-selective-polymer-wrapped s-SWCNT)를 포함한 액체 용액 도입량을 상기 수성 매질에 가하는 단계로서, 이에 의해 상기 액체 용액이 공기-액체 계면에서 상기 수성 매질 상의 층 안으로 확산되고 상기 층으로부터의 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT가 정렬된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT의 줄무늬 형태로 소수성 기판 상에 퇴적(deposit)되는 단계; 및 (c) 상기 수성 매질로부터 상기 소수성 기판을 적어도 부분적으로 회수하는(withdrawing) 단계로서, 이에 따라 상기 정렬된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT의 줄무늬가 퇴적된 상기 소수성 기판 부분이 상기 공기-액체 계면으로부터 회수되는 단계;를 포함한다. 단계 (b) 및 (c)는 순차적으로 1회 이상 반복하여 상기 소수성 기판상에 정렬된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT의 하나 이상의 추가적인 줄무늬가 퇴적될 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태는 s-SWCNT 막에서 s-SWCNT의 연속 플로팅 증발 자가-조립 (연속 FESA) 방법을 제공한다.

연속 FESA를 사용하여, 기판 상에 정렬된 s-SWCNT의 막을 형성하는 방법의 일 구현예는 (a) 소수성 기판을 수성 매질 중에 부분적으로 침지시키는 단계; (b) 유기 용매 중에 분산된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT를 포함하는 액체 용액의 연속 흐름을 상기 수성 매질에 공급하는 단계로서, 이에 의하여 상기 액체 용액이 공기-액체 계면에서 상기 수성 매질 상의 층 안으로 확산되고 상기 층으로부터의 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT가 정렬된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT의 막으로서 상기 소수성 기판상에 퇴적되며, 이때 연속적으로 증발되는 상기 층 내의 유기 용매는 상기 막의 형성 도중에 상기 액체 용액의 흐름에 의해 연속적으로 재공급되는 단계; 및 (c) 상기 수성 매질로부터 상기 소수성 기판을 회수하는 단계로서, 상기 소수성 기판이 상기 수성 매질로부터 회수될 때 상기 정렬된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT의 막이 상기 소수성 기판의 길이를 따라 성장되는 단계;를 포함한다.

도입량-조절된 및/또는 연속 FESA에 의해 만들어진 정렬된 s-SWCNT를 포함한 막들의 구현예들은, 상기 막 내의 s-SWCNT가 약 ±20° 또는 이보다 나은 정렬도를 갖고, 상기 막 내의 단일벽 탄소나노튜브 선형 패킹 밀도는 40 단일벽 탄소나노튜브/μm 이상인 것을 특징으로 할 수 있다. 일 구현예에서, 상기 막들은 순도 수준이 99.9% 이상인 반도체 단일벽 탄소나노튜브를 갖는다.

전계 효과 트랜지스터의 구현예는 소스 전극; 드레인 전극; 게이트 전극; 상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극과 전기적으로 접촉하며, 정렬된 s-SWCNT를 포함하는 막을 포함한, 전도성 채널; 상기 게이트 전극 및 상기 전도성 채널 사이에 배치된 게이트 유전체를 포함하고, 상기 막 내의 s-SWCNT가 약 ±20° 또는 이보다 나은 정렬도를 갖고, 상기 막 내의 단일벽 탄소나노튜브 선형 패킹 밀도는 40 단일벽 탄소나노튜브/μm 이상을 갖는다. 상기 트랜지스터의 일부 구현예는 5 μS μm^-1 이상의 폭(width) 당 온-전도도(on-conductance)를 갖고, 1x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율(on/off ratio)을 갖는다.

본 발명의 다른 기본적인 특징 및 이점은 이어지는 도면, 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용 및 첨부된 청구항의 검토를 통해 통상의 기술자에게 자명할 것이다.

도 1은 공기/물 계면에서 유기 용매의 조절된 도입량을 확산 및 증발시키는 것에 의해 추진된, s-SWCNT의 막을 제작하는데 사용된 반복적 공정의 개략도이다.
도 2는 s-SWCNT의 얇은 막(줄무늬)의 현미경 이미지이다.
도 3은 s-SWCNT의 줄무늬의 고 해상도 SEM 이미지이다.
도 4(a) 및 (b)는 s-SWCNT의 줄무늬의 AFM 이미지이다.
도 5는 532 nm 레이저 입사에서 아크-방전 SWCNT의 라만 스펙트럼이다.
도 6은 다양한 각도(0°, 10°, 20°, 30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°, 90°, 뒤->앞 순서)에서 얻은 s-SWCNT 배열의 G-밴드를 레이저 편광 및 s-SWCNT 줄무늬 장축(long-axis) 사이에서의 각도의 함수로서 보여준다. 삽도: 라만 강도 1,594 cm^-1에서의 각도 의존성.
도 7은 아크-방전 및 HiPco s-SWCNT의 정렬도를 보여주는 확률 분포 함수를 보여준다.
도 8은 도입량-조절된, 플로팅 증발 자가-조립 정렬된 SWCNT(본원발명)를 문헌에서 보고된 다른 방법들과 비교하여 보여준다. CVD 성장법을 이용한 것은 원으로 나타냈고(금속성 및 반도체성 SWCNT가 혼합됨) 후 합성 조립법을 이용한 것은 사각형으로 나타냈다.
도 9는 전형적인 FET(L=9 μm, w=4 μm)에서 s-SWCNT 막의 p-형 거동을 증명하는 가변성 게이트 전압에서의 출력 특성을 보여준다.
도 10은 전형적인 FET에 대한 10⁶을 초과하는 온/오프 비율 및 고 전류 출력을 증명하는 전달 특성을 보여준다.
도 11은 정렬된 s-SWCNT-기반의 트랜지스터의 SEM 이미지를 보여준다. 기준자는 2 μm이다.
도 12는 400 nm 채널 길이 FET의 SEM 이미지(기준자=200 nm)를 보여준다.
도 13은 정렬된 s-SWCNT 줄무늬의 AFM 이미지를 보여준다. 삽도는 짙은 회색 단면을 따라 막 두께 프로파일이 이어진다.
도 14는 해당 SEM 이미지를 덮는 ~20 μm² 줄무늬의 라만 맵을 보여준다. 흑백자는 Si 강도로 나눈 G-밴드 강도를 지시한다.
도 15는 V_GS= -30V(사각형) 내지 10V(다이아몬드)로 10V씩 증가하면서 9 μm 채널 길이 FET의 출력 특성을 보여준다. 삽도는 V_DS=-1V에서 전달 곡선의 전 후방 스윕(sweep)을 보여준다,
도 16은 V_DS=-1V에서 22개의 상이한 400 nm 채널 길이 FET 장치의 전달 특성을 보여준다. 삽도는 온/오프 비율 히스토그램이다.
도 17은 각 채널 길이에서의 온-(사각형) 및 오프-(원) 전도도를 보여준다. 중간 값이 도시되고, 오차 바(error bar)는 최대 및 최소 값을 지시한다.
도 18은 실시예 2에서 달성된 s-SWCNT FET 성능(폭 당 온-전도도 vs 전도도 조절)을 이전 연구와 비교하여 보여준다. 이러한 작업에서 중간 값은 별 모양으로 도시되고, 각각의 채널 길이에서 이어지는 개수의 장치로부터 계산된다: 400 nm(22개 장치), 1-2 μm(6개 장치), 3-4 μm(6개 장치), 및 9 μm(4개 장치). 이 작업에서 에러 바는 최대 및 최소 값을 지시한다.
도 19는 기판의 표면 상에 정렬된 s-SWCNT 막을 형성하는 방법의 일 구현예의 개략도를 보여준다.
도 20은 기판의 표면 상에 정렬된 s-SWCNT를 형성하는 방법의 또 다른 구현예의 개략도를 보여준다.
도 21은 실리콘 기판 상에 정렬된 s-SWCNT의 제1 막의 고 해상도 SEM 이미지를 보여준다.
도 22(a)는 실리콘 기판 상에 정렬된 s-SWCNT의 제2 막의 고 해상도 SEM 이미지를 보여준다.
도 22(b)는 도 22(a)의 SEM 이미지 중 확대된 부분의 고 해상도 SEM 이미지를 보여준다.

고도의 나노튜브 정렬도를 갖는 s-SWCNT의 고밀도 막이 제공된다. 또한, 상기 막을 제조하는 방법 및 상기 막을 전도성 채널 물질로서 포함하는 전계 효과 트랜지스터가 제공된다.

이러한 기술의 일 양태에서, 상기 막은 본원에서 "도입량-조절된, 플로팅 증발 자가-조립법", 또는 "도입량-조절된 FESA법"으로 언급된 방법을 사용하여 형성된다. 이 방법은 공기-액체 계면에서 가용화된 s-SWCNT를 함유한 유기 용매의 박막을 이용하여 부분적으로 침지된 소수성 기판 상에 정렬된 s-SWCNT의 막을 퇴적한다. 상기 방법은 다량의 액체 매질의 증발로부터 s-SWCNT 막 형성물을 분리하고, 조절된 "도입량"으로 s-SWCNT를 반복적으로 가하는 것에 의해, 폭, s-SWCNT 밀도 및 줄무늬의 주기성이 연속적으로 제어된 일련의 좁은 s-SWCNT 막, 또는 "줄무늬"의 신속한 순차적인 퇴적을 허용한다. 얻어진 막은 고도의 s-SWCNT 정렬 및 고밀도의 s-SWCNT로 특징지어 질 수 있다. 결과적으로, 상기 막은, 높은 온-전도도 값 및 높은 온/오프 비율을 갖는 채널 물질로서 FET에서 사용하기에 매우 적합하다.

도입량-조절된, 플로팅 증발 자가-조립 방법의 장점은, 유기 용매 중에서 이례적인 전자식 순도를 갖는 s-SWCNT(반도체 선택성 폴리머를 사용하여 분류됨)의 퇴적을 허용한다는 점이다. 수성 용액에서 s-SWCNT를 분류하기 위해 사용된 음이온 계면 활성제와 달리, 반도체 선택성 폴리머는 분산과정에서 미정제(raw) SWCNT 분말로부터 직접적으로 반도체성 나노튜브를 민감하고 선택적으로 "빼낼(pick out)" 수 있기 때문에 유리하다.

도입량-조절된, 플로팅 증발 자가-조립 방법의 일 구현예는 도 1에서 개략적으로 보여진다. 도면의 패널(i)에서 보는 바와 같이, 상기 방법은 수성 액체 매질(104), 예를 들어 물 중에 소수성 기판(102)를 부분적으로 침지시키는 것으로 시작된다. 액적(106) 형태의 액체 용액의 도입량은 액체 매질(104) 안으로, 바람직하게는 기판(102)에 매우 근접하여 적가된다. "유기 잉크" 또는 "s-SWCNT 잉크"로도 본원에서 언급되는 액체 용액은 유기 용매(110) 중에 분산된 s-SWCNT(108)을 포함한다. 상기 s-SWCNT는 그의 표면 상에 코팅된 반도체 선택성 폴리머를 가지며, 이는 본원에서 "반도체 선택성 폴리머로 감싸여진(semiconductor-selective-polymer-wrapped)" s-SWCNT로 언급된다. 액체 용액은 (도면에서 직선으로 표시됨) 공기-액체 계면에서 수성 액체 매질(104)의 표면 상의 박층(thin layer) 안으로 확산된다(패널(ii)). 확산에 의해서, 액체 용액의 박층에서 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT(108)이 공기-액체 계면 근처에서 소수성 기판(102)과 접촉하고 정렬된 s-SWCNT의 줄무늬(112)로서 소수성 기판 위에 퇴적되고, 이와 동시에 유기 용매(110)는 신속히 증발한다. 줄무늬(112)는 기판의 폭에 걸쳐 이어진다. 특정 이론에 구속되지 않지만, 발명자는, 용매 수준이 증발 과정에서 신속히 감소하기 때문에, s-SWCNT가 입체 구조적으로 더 바람직한 위치인 증발 프론트(evaporation front)에 대해 수직 방향으로 배향하려 하고, 이 때문에 s-SWCNT가 정렬된 구성을 취하는 것으로 생각한다. 또한, 용매 프론트의 감소 동안 s-SWCNT가 용매층의 외부로부터 공기 중으로 기립하는 것 보다 측방(sideways)으로 돌리는 것이 더 적은 입체 구조적 불이익을 가질 확률이 크다.

일단 줄무늬(112)가 형성되면, 기판(108)은 들어 올려질 수 있고, 이에 따라 상기 줄무늬가 공기-액체 계면으로부터 회수된다(패널(iii)). 액체 용액의 추가적인 도입량은 순차적으로 첨가될 수 있고, 공정은 정렬된 s-SWCNT를 포함한 일련의 줄무늬(114)를 형성하도록 반복되었다(패널(iv)). 이런 공정을 이용하여, s-SWCNT의 극박막(very thin film) (전형적으로 단지 s-SWCNT의 단일층 또는 이중층의 두께를 가짐)이 퇴적될 수 있다.

선택적으로, 반도체 선택성 폴리머는 줄무늬 형성 이후에, s-SWCNT로부터 부분적으로 또는 완전히 제거될 수 있다. 이는 예를 들어, 폴리머 선택성 건식 또는 습식 에천트(echant)를 이용하거나, 또는 폴리머의 선택적 열 분해를 통해 달성될 수 있다. 이런 방법들의 일 구현예에서, s-SWCNT 상에서 반도체 선택성 폴리머의 양은 이들을 도입량으로 첨가하기 이전에 감소될 수 있다.

기판(108)의 회수 속도를 조절함으로써, 줄무늬 폭(즉, 회수 방향에 평행하게 진행하는 줄무늬의 크기), 줄무늬 주기성 및 줄무늬의 s-SWCNT 밀도가 조심스럽게 조절될 수 있다. 최적의 기판 회수율은 다양한 요인에 의존할 수 있는데, 이러한 요인은 최종 퇴적된 막의 원하는 특징, 기판의 성질 및/또는 도입량 분배의 비율을 포함한다. 본원발명의 방법은 실온(약 23℃) 및 대기압에서도 넓은 기판 표면적 상에 신속히 줄무늬를 퇴적할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 상기 방법은 1 mm/분 이상의 기판 회수율에서 정렬된 s-SWCNT의 줄무늬를 퇴적한다. 상기 방법은 기판 회수율이 5 mm/분 이상인 구현예를 포함한다. 본원발명의 방법은, 높은 회수율을 이용하여, 1시간 미만에, 12 인치 웨이퍼(예, Si 웨이퍼)의 전체 표면 상에 200 μm 이하의 주기성을 갖는 일련의 정렬된 s-SWCNT의 줄무늬를 퇴적할 수 있다.

유기 용매 및 용매화된 폴리머로 감겨진 s-SWCNT를 함유하는 액체 용액의 도입량은 수성 매질에 전달되는 양보다 훨씬 적은 부피를 갖는 액체, 예를 들어 액적의 양이다. 매우 적은 부피의 도입량을 이용하여 s-SWCNT를 기판에 전달함으로써, 도입량-조절된 FESA가 다른 용액-기반의 SWCNT 퇴적 방법에 비해, 매우 적은 양의 SWCNT 및 유기 용매로 고밀도 막을 형성할 수 있다. 오직 예시로서, 본원발명의 방법에서 이용된 도입량은 약 0.5 내지 약 50 μl 범위의 부피를 가질 수 있다. 그러나, 이 범위를 벗어난 부피가 사용될 수 있다. 각각의 도입량 내의 SWCNT의 농도는 퇴적된 줄무늬에서 s-SWCNT의 밀도를 조절하기 위해 조정될 수 있다. 만일 복수의 줄무늬가 퇴적되면, 상이한 도입량 내의 s-SWCNT의 농도가 동일하거나 상이할 수 있다. 오직 예시로서, 본원발명의 방법에서 사용된 도입량은 약 1 내지 약 50 μg/ml의 SWCNT 농도를 가질 수 있다. 그러나, 이 범위 밖의 농도가 사용될 수 있다. 도입량 분배율은 기판 상에 형성된 줄무늬의 주기성을 조절하기 위하여 조정될 수 있다. 만일 복수의 줄무늬가 퇴적되면, 도입량 분배율은 본원 방법 동안 일정하게 유지되어 기판 상에 일정한 간격의 줄무늬를 제공할 수 있다. 대안적으로, 도입량 분배율은 본원 방법 동안 변화하여 줄무늬 간 간격이 상이한 줄무늬를 제공할 수 있다.

정렬된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT를 포함한 막이 퇴적된 기판은 충분히 소수성이며, 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT는 수성 매질에 비해 기판에 더 높은 친화성을 갖는다. 소수성 기판은 소수성 물질로 구성될 수 있거나, 지지 기판 상에 소수성 표면 코팅을 포함할 수 있다. 소수성 폴리머는 코팅을 포함하여 기판 물질로서 사용될 수 있는 물질들의 예들이다. 만일 막이 채널 물질로서 FET에서 사용된다면, 기판은 소수성 코팅으로 코팅된 게이트 유전체 물질(예를 들어, SiO₂)을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 막은 본원에서 "연속, 플로팅 증발 자가-조립"(연속 FESA)으로서 언급된 방법을 이용하여 형성된다. 이런 방법은 가용화된 s-SWCNT를 함유한 유기 용매의 용액의 박층을 공기-액체 계면에서 사용하여 부분적으로 침지된 소수성 기판 상에 정렬된 s-SWCNT의 막을 퇴적한다. 상기 방법은 대량의 액체 매질의 증발로부터 s-SWCNT 막 형성물을 분리시키고 고도의 s-SWCNT 정렬 및 고밀도의 s-SWCNT에 특징이 있는 정렬된 s-SWCNT의 연속 막의 신속한 퇴적을 허용한다. 결론적으로, 막은 높은 온-전도도 값 및 높은 온/오프 비율을 갖는, FET에서 채널 물질로서 사용하기에 매우 적합한다.

상기 방법에서, s-SWCNT의 용액은 다량의 액체 매질의 표면 상에서 유기 용매의 확산 퍼들(spreading puddle) 및 증발 퍼들(evaporating puddle) 안으로 계속적으로 공급된다. 상기 퍼들이 소수성 기판의 표면을 만나는 지점에서, 이러한 퍼들은 상기 표면 상에서 전반적으로 안정한, 정상 상태(steady state) 메니스커스(meniscus)를 형성하고, 상기 퍼들 내의 s-SWCNT는 박막을 형성하는 소수성 기판의 표면으로 이동한다. s-SWCNT의 용액의 공급은 액체 매질 위로 용액의 흐름이 막 성장 공정 개시로부터 막이 실질적으로 완료될 때까지 계속 이어진다는 의미에서 "연속적"이고, 이에 따라 연속적으로 증발하는 다량의 액체 상의 퍼들이 또한 막 성장 공정 내내 연속적으로 재공급된다. 본 발명의 임의의 특정 이론에 구속되지 않고, 발명자는 일단 s-SWCNT 용액의 초기 퍼들이 형성되면, 연속 흐름을 통해 도입된 이어지는 첨가 용액(subsequently added solution)이 그 밑에 다량의 액체의 표면과 상호작용하지 않아서, 유체 역학적 흐름이 퍼들에서 확인된다고 생각한다.

연속, 플로팅 증발 자가-조립 방법의 이점은, 유기 용매 중에서 이례적인 전자식 순도(반도체 선택성 폴리머를 이용하여 미리 분류됨)를 갖는 s-SWCNT의 퇴적을 허용한다는 점이다. 수성 용액에서 s-SWCNT를 분류하는데 사용된 음이온 계면 활성제와는 달리, 반도체 선택성 폴리머는 분산과정에서 미정제(raw) SWCNT 분말로부터 직접적으로 반도체성 나노튜브를 민감하고 선택적으로 "빼낼" 수 있기 때문에 유리하다.

연속, 플로팅 증발 자가-조립법의 일 구현예는 도 19에서 개략적으로 보여진다. 도면에서 보는 바와 같이, 본 방법은 수성 액체 매질(1904), 예를 들어 물 중에 소수성 기판(1902)를 부분적으로 침지시키는 것으로 시작된다. 액체 매질(1904)의 표면과 접촉하는 액체 용액의 흐름, 예를 들어 주사기(1906)는 액체 매질(1904) 위로 향하며, 바람직하게는 기판(1902)에 매우 근접하게 위치된다. "유기 잉크" 또는 "s-SWCNT 잉크"로도 본원에서 언급되는 액체 용액은 유기 용매 중에 분산된 s-SWCNT(1908)를 포함한다. 상기 s-SWCNT는 그의 표면 상에 코팅된 반도체 선택성 폴리머를 가지며, 이는 본원에서 "반도체 선택성 폴리머로 감싸여진(semiconductor-selective-polymer-wrapped)" s-SWCNT로 언급된다. 액체 용액은 (도면에서 직선으로 표시됨) 공기-액체 계면에서 수성 액체 매질(1904)의 표면 상에 박층(퍼들(1910)) 안으로 확산된다. 확산에 의해, 퍼들(1910)에서 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT(1908)이 소수성 기판(1902)과 공기-액체 계면 근처에서 접촉하고, 정렬된 s-SWCNT의 줄무늬(1914)로서 소수성 기판 위에 퇴적된다. 퍼들(1910)에서 유기 용매는 연속적으로 증발하고 주사기(1906)으로부터 s-SWCNT 잉크의 연속적인 흐름에 의해 연속적으로 보충되고, 잉크 퍼들(1910)은 용액 유량 및 용매 증발률이 동일하거나 실질적으로 동일한 경우에서 정상 상태에 도달한다. 퇴적된 막(1914)은 기판의 폭에 걸쳐 이어진다.

일단 막(1914)의 성장이 개시되면, 기판(1908)은 들어 올려질 수 있고, 이에 따라 연속적으로 성장하는 막의 상부가 공기-액체 계면으로부터 회수되며, 기판이 회수되면서 기판의 길이를 따라 막의 연속적 성장을 가능하게 한다. 액체 용액은 원하는 길이의 정렬된 s-SWCNT의 막이 성장될 때까지 연속적으로 첨가될 수 있다. 이러한 공정을 이용하여, s-SWCNT의 극박막(very thin film) (전형적으로 단지 s-SWCNT의 단일층 또는 이중층의 두께를 가짐)이 퇴적될 수 있다.

연속, 플로팅 증발 자가-조립 방법의 또 다른 구현예는 도 20에서 개략적으로 보여진다. 이런 방법은 퍼들(1910)의 외향류를 제한하기 위하여 물리적 장벽(댐)(2020)이 주사기(1906) 맞은편의 액체 매질(1904) 내에 부분적으로 침지되는 것을 제외하고는, 도 19에서 묘사된 것과 동일하다.

선택적으로, 반도체 선택성 폴리머는 막 형성 후에 퇴적된 s-SWCNT로부터 부분적 또는 전체적으로 제거될 수 있다. 이는 예를 들어, 폴리머 선택성 건식 또는 습식 에천트(echant)를 이용하거나, 또는 폴리머의 선택적 열 분해를 통해 달성될 수 있다. 이런 방법들의 일 구현예에서, s-SWCNT 상의 반도체 선택성 폴리머의 양은 이들을 유기 용액에 첨가하기 이전에 감소될 수 있다.

기판(1908)의 회수 속도를 조절함으로써, 막 길이 (즉, 회수 방향에 평행하게 진행하는 막의 크기), 및 막의 길이를 따라 s-SWCNT 밀도가 조심스럽게 조절될 수 있다. 최적의 기판 회수율은 다양한 요인에 의존할 수 있는데, 이러한 요인은 최종 퇴적된 막의 원하는 특징, 기판의 성질 및/또는 유기 용액 중에 s-SWCNT의 농도를 포함한다. 본원발명의 방법은 실온(약 23℃) 및 대기압에서도 넓은 기판 표면적 상에 막을 퇴적할 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예에서, 상기 방법은 1 mm/분 이상의 기판 회수율에서 정렬된 s-SWCNT의 막을 퇴적한다. 상기 방법은 기판 회수율이 5 mm/분 이상인 구현예를 포함한다. 예시로서, 본원발명의 방법은, 높은 회수율을 이용하여, 1시간 미만에, 12 인치 웨이퍼(예, Si 웨이퍼)의 전체 표면 상에 정렬된 s-SWCNT의 연속적인 막을 퇴적할 수 있다.

유기 용매 및 용매화된 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT를 함유하는 액체 용액의 퍼들은 다량의 액체 매질에 전달되는 부피에 비해 훨씬 더 적은 부피를 갖는다. 매우 적은 부피의 용액을 이용하여 s-SWCNT를 기판에 전달함으로써, 연속 FESA가 다른 용액-기반의 SWCNT 퇴적 방법에 비해, 매우 적은 양의 SWCNT 및 유기 용매로 고밀도 막을 형성할 수 있다. 퍼들을 공급하는 액체의 흐름에서 SWCNT의 농도가 조정되어, s-SWCNT의 밀도가 상기 막의 길이를 따라 조절될 수 있다. 성장하는 막의 길이를 따라 s-SWCNT의 농도는 동일하거나, 또는 막의 길이를 따라 s-SWCNT 농도 구배를 갖는 막의 경우와 같이 상이할 수 있다. 오직 예시로서, 본원발명의 방법에서 사용된 유기 용액은 SWCNT를 약 1 내지 약 50 μg/ml 농도로 가질 수 있다. 그러나, 이러한 범위 밖의 농도가 사용될 수 있다.

정렬된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT를 포함한 막이 퇴적된 기판은 충분히 소수성이며, 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT가 흡착된다. 소수성 기판은 소수성 물질로 구성될 수 있거나, 지지 기판 상에 소수성 표면 코팅을 포함할 수 있다. 소수성 폴리머는 코팅을 포함하여 기판 물질로서 사용될 수 있는 물질들의 예들이다. 만일 막이 FET에서 채널 물질로 사용된다면, 기판은 소수성 코팅으로 코팅된 게이트 유전체 물질(예를 들어 SiO₂)를 포함할 수 있다.

연속 FESA에 의해 퇴적된 연속 정렬된 s-SWCNT 막의 의도된 용도에 따라, 막의 패턴을 규정하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 막은 일련의 선, 점 배열(array dots) 등으로 패턴화될 수 있다. 그러므로, 상기 방법의 일부 구현예는 후(post) 막-성장 단계를 포함하고, 상기 단계에서 막은 예를 들어 포토리소그래피 기술(photolithography techniques)을 이용하여 리소그래피적으로(lithographically) 패턴화된다. 예를 들어, 만일 정렬된 s-SWCNT의 막이 FET에서 채널 물질로서 사용되어야 한다면, 정렬된 s-SWCNT의 일련의 평행한 줄무늬를 포함한 패턴이 막에 형성될 수 있다.

도입량-조절된 또는 연속 FESA에 의해 형성된 줄무늬 및 막에서 SWCNT의 밀도는 그들의 선형 패킹 밀도(linear packing density)로 나타내지며, 이는 1 μm 당 SWCNT의 개수에 관하여 정량화될 수 있고 문헌[Joo et al., Langmuir, 2014, 30(12), pp. 3460-3466 ("Joo et al.")]("Joo 등")에서 설명된 바와 같이, 그리고 하기 실시예 1에서와 같이 측정될 수 있다. 일부 구현예에서, 플로팅 증발 자가-조립 방법은 30 SWCNT/μm 이상의 SWCNT 밀도를 갖는 줄무늬 또는 막을 퇴적한다. 상기 방법은, 줄무늬 또는 막이 35 SWCNT/μm 이상, 40 SWCNT/μm 이상, 45 SWCNT/μm 이상 및 약 50 SWCNT/μm 이상의 SWCNT 밀도를 갖는 구현예를 포함한다.

도입량-조절된 또는 연속 FESA에 의해 형성된 줄무늬 및 막에서 SWCNT의 정렬도는 그들의 종축을 따라 줄무늬 또는 막 내에 그들의 정렬도로서 나타내지며, 이는 Joo 등에서 설명된 바와 같이 정량화될 수 있다. 일부 구현예에서, 플로팅 증발 자가-조립은 ± 20° 또는 이보다 나은 SWCNT 정렬도를 갖는 줄무늬 또는 막을 퇴적한다. 이는 SWCNT가 ± 17° 또는 이보다 나은 정렬도를 갖는 구현예를 포함하고, SWCNT가 ± 15° 또는 이보다 나은 정렬도를 갖는 구현예를 더 포함하고, SWCNT가 ± 10° 또는 이보다 나은 정렬도를 갖는 구현예를 더 포함한다.

s-SWCNT를 코팅한 반도체 선택성 폴리머는 s-SWCNT 및 m-SWCNT 모두를 함유하는 시작 샘플로부터 s-SWCNT의 고도의 선택적인 사전-분류(pre-sorting)에 의해 존재할 수 있다. 반도체 선택성 폴리머는 m-SWCNT의 표면에 비해 s-SWCNT의 표면에 선택적으로 결합한다(예를 들어, 흡착한다). m-SWCNT로부터 선택적으로 감겨진s-SWCNT의 분리는 예를 들어, 원심분리 및 여과를 이용하여 허용된다. m-SWCNT를 제거하기 위해 SWCNT를 사전-분류함으로써, 매우 높은 s-SWCNT 순도 수준을 갖는 막이 형성될 수 있으며, 이때 s-SWCNT 순도 수준은 줄무늬 또는 막 중에 s-SWCNT인 SWCNT의 비율로 나타내진다. 예를 들어, 도입량-조절된 또는 연속 플로팅 증발 자가-조립에 의해 형성된 줄무늬 또는 막 중 일부는 99% 이상의 s-SWCNT 순도 수준을 갖는다. 이는 99.5% 이상의 s-SWCNT 순도 수준을 갖는 줄무늬 또는 막을 포함하고, 99.9% 이상의 s-SWCNT 순도 수준을 갖는 줄무늬 또는 막을 더 포함한다.

다수의 반도체 선택성 폴리머가 알려져 있다. 이러한 폴리머의 설명은 예를 들어, 문헌[Nish, A.; Hwang, J. Y.; Doig, J.; Nicholas, R. J. Highly selective dispersion of single-walled carbon nanotubes using aromatic polymers. Nat. Nanotechnol. 2007, 2, 640-6]에서 발견된다. 반도체 선택성 폴리머는 전형적으로 고도의 π-콘쥬게이션을 갖는 유기 폴리머이고, 폴리플루오렌 유도체, 예를 들어 폴리(9,9-디알킬-플루오렌) 유도체, 및 폴리(페닐 비닐렌) 유도체를 포함한다. 반도체 선택성 폴리머가 전도성 또는 반전도성 폴리머일 수 있지만, 전기적으로 절연성일 수도 있다.

유기 용매는 막 퇴적 온도 및 압력, 전형적으로 주변 온도 및 압력에서 상대적으로 낮은 비점을 갖는 것이 바람직하며, 이에 따라 유기 용매는 신속하게 증발한다. 또한, 유기 용매는 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 s-SWCNT를 가용화하는 능력을 가져야 한다. 적합한 유기 용매의 예로는 클로로포름, 디클로로메탄, N,N-디메틸포름아미드, 벤젠, 디클로로벤젠, 톨루엔 및 자일렌을 포함한다.

채널 물질로서 정렬된 s-SWCNT의 막을 포함한 FET는 일반적으로 상기 채널 물질과 전기적으로 접촉하는 소스 전극 및 드레인 전극; 게이트 유전체에 의해 채널로부터 분리된 게이트 전극; 및 선택적으로, 하부 지지 기판을 포함한다. 다양한 물질이 FET의 구성으로 사용될 수 있다. 예를 들어, FET는 정렬된 s-SWCNT, SiO₂ 게이트 유전체, 게이트 전극으로서 도핑된 Si 층, 소스 및 드레인 전극 으로서 금속(Pd) 막을 포함한 채널을 포함할 수 있다. 그러나, 다른 물질이 이러한 구성들 각각에 대해 선택될 수 있다. 높은 s-SWCNT 순도 수준 및 높은 SWCNT 밀도를 갖는 고도로 정렬된 s-SWCNT를 포함한 채널 물질은 폭 당 높은 온-전도도(G_ON/W(μS/μm)) 및 높은 온/오프 비율 모두를 특징으로 갖는 FET를 제공할 수 있다. 예를 들어, FET의 일부 구현예는 5 μS μm^-1 이상의 폭 당 온-전도도 및 1x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율을 갖는다. 이는 7 μS μm^-1 초과의 폭 당 온-전도도 및 1.5x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율을 갖는 FET를 포함하고, 10 μS μm^-1 초과의 폭 당 온-전도도 및 2x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율을 갖는 FET를 더 포함한다. 이러한 성능 특징은 예를 들어, 약 1 μm 내지 약 4 μm의 채널길이를 포함하는, 약 400 nm 내지 약 9 μm의 채널 길이로부터 달성될 수 있다.

실시예

실시예 1

본 실시예에서, 이례적인 전자식 순도 수준(99.9% s-SWCNT)를 갖는 정렬된 s-SWCNT를 포함한 평행 줄무늬의 배열을 높은 퇴적 속도에서 줄무늬의 위치 및 s-SWCNT의 양을 조절하는 도입량-조절된, 플로팅 증발 자가-조립 공정을 이용하여 퇴적하였다.

다량의 용액의 증발로부터 s-SWCNT 줄무늬 형성물을 분리시키고 s-SWCNT를 조절된 도입량으로 반복적으로 가함으로써, 도입량-조절된, 플로팅 증발 자가-조립 공정이 줄무늬를 형성하였고, 여기에서 s-SWCNT는 ± 14° 내에서 정렬되었고, 약 50 s-SWCNT/μm의 밀도로 패킹되었고, 주로 잘-정돈된 단일분산층을 구성했다. 줄무늬를 포함하는 FET 장치는 9 μm 채널 길이에서 38 cm²V^-1S^-1의 이동도 및 2.2x10⁶의 온/오프 비율의 고성능을 보였다.

결과 및 논의

두 개의 상이한 유형의 s-SWCNT 잉크를 시험하였다. 제1 유형의 잉크를 아크-방전 SWCNT 분말(Nano Lab, Inc.)로부터 가공하였다. 이 경우에, 폴리플루오렌 유도체 폴리[(9,9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일)-알트-코-(6,6'-{2,2'-비피리딘})] (PFO-BPy)를 반도체 선택성 폴리머로서 채택하였다. PFO-BPy 고도의 반도체 SWCNT 종을 선택적으로 코팅하는 것으로 알려져 있다(Mistry, K. S.; Larsen, B. A.; Blackburn, J. L. High-Yield Dispersions of Large-Diameter Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes with Tunable Narrow Chirality Distributions. ACS Nano 2013, 7, 2231-2239 참조). PFO-BPy로 감싸여진 s-SWCNT를 가용화시킴과 동시에 원심분리로 제거될 남은 탄소 잔여물 및 m-SWCNT를 큰 번들(bundle) 및 응집물을 남기는 초음파처리에 의해 아크-방전 분말 및 PFO-BPy를 톨루엔 중에 분산시켰다. 비교하기 위해, 분류되고 분류되지 않은 SWCNT 용액의 흡수 스펙트럼을 얻었다. 분류되지 않은 스펙트럼은 PFO-BPy로 분류한 후에 대략 700 nm에서 존재하는 금속 피크가 존재하지 않았다. 초기 분류 공정에 이어서, 과잉 폴리머 쇄를 테트라히드로퓨란 중에 반복된 분산 및 SWCNT의 원심분리에 의해 제거하였다. 제2 유형의 잉크를 고압일산화탄소(HiPco)에서 제조된 분말(nanointegris Inc.)로부터 가공하였다. Dl 경우에, 폴리플루오렌 유도체 폴리[(9,9-디-n-옥틸플루오레닐-2,7-디일)] (PFO)을 반도체 선택성 폴리머로서 사용하였다. (Nish, A.; Hwang, J. Y.; Doig, J.; Nicholas, R. J. Highly selective dispersion of single-walled carbon nanotubes using aromatic polymers. Nat. Nanotechnol . 2007, 2, 640-6. 참조)

도 1은 본원 방법의 개략도이다. 클로로포름 중에 99.9% 초과로 정제된 아크 방전 s-SWCNT 잉크 2 μl 도입량(농도=10μg ml^- ¹)을 도 1의 패널(i)에서 보여지는 수직으로 배향된 기판으로부터 0.5 cm 떨어진 곳에서 물 표면 상으로 적가하였다. 도입량은 공기/물 계면에서의 확산에 의해 물 표면을 덮었고, 표면 장력 효과의 결과로서 신속히 기판에 도달했다(도 1에서 패널(ii)). 클로로포름은 물 표면을 가로질러 신속히 확산하고 증발하기 때문에, 본 연구에 적합한 용매로서 선정하였다.

물의 증발 그리고 이에 따른 조립 공정의 속도를 높이기 위하여 저압을 필요로 하는 SWCNT의 수성 용액으로부터의 증발 자가-조립에 관한 이전 연구와는 달리, 본 실시예에서 고 증기압 유기 용매의 사용은 주변 조건 하에서 훨씬 더 신속한 조립을 허용하였다. 예를 들어, 주변 조건에서 5 mm min^-1의 퇴적 속도는 본원에서 증명되었다. 수성 용액으로부터 표준 증발 자가-조립법을 이용하는 보고된 퇴적 속도는, 유사한 기판 크기를 이용하여 각각 70 및 760 Torr에서 단지 0.02 및 0.001 mm min^-1로 훨씬 느렸다. 유기 잉크가 확산함에 따라, 상기 잉크는 부분적으로 침지된 기판과 접촉하게 된다. 이후에 클로로포름의 신속한 증발(도 1, 패널(ii))은 수직으로 침지된 기판 상에 정렬된 s-SWCNT의 줄무늬의 형성을 가져온다. 용매 수준이 증발 과정에서 감소함에 따라, s-SWCNT는 입체 구조학적으로 더 바람직한 위치인 증발 프론트에 대해 수직으로 배향하는 경향이 있다.

이러한 실험의 결과는 정렬된 s-SWCNT의 연속적인 줄무늬의 형성을 보여주었고(도 1, 패널(iii) 및 (iv)) 세가지 중요한 요인을 조절하는 능력을 보여주었다: (1) 줄무늬의 폭, (2) 각 줄무늬에서 SWCNT의 밀도, 및 (3) 줄무늬 사이의 간격. 기판 상승 속도를 변화시키는 것에 의해 줄무늬 폭의 조절을 보여주었다. 10 μg ml^-1의 도입량 농도에 대하여, 9 mm min^-1의 고속에서 SWCNT는 무작위로 무질서하게 되었고, 1 mm min^-1에서 큰 번들 또는 로프(ropes)로 응집되기 시작하였다. 5 mm min^-1의 최적의 속도에서, 얻은 줄무늬에서 s-SWCNT를 다른 줄무늬와 잘 단리하였고, 잘 정렬하였다. 도 2는 이러한 최적화된 조건 하에서 제작된 폭이 20(±2.5) μm인 정렬된 s-SWCNT 줄무늬의 광학 현미경 사진을 보여준다. 상승 속도를 최적화함으로써, 줄무늬의 폭에 영향을 줄 수 있었다. 확장 가능한 전자 장비에 대한 또 다른 중요한 요인은 줄무늬 간격을 조절하는 것이다. 주기성의 줄무늬 간격을 보여주기 위하여, 5 mm min^-1의 일정한 기판 상승 속도를 세팅하였고, 1.2초 당 도입량을 가하여 100 μm의 줄무늬 주기성을 얻었다(도 2). 이 방법을 이용하면, 줄무늬 폭, 줄무늬 주기성, 및 SWCNT 밀도가 조절된 정렬된 SWCNT 배열을 연속 방식(continuous matter)으로 제작할 수 있으며, 이는 높은 처리량의 마이크로 전자 공학적 응용에서 매력적이다. 본원에서 사용된 기판을 H₂O₂(33%)/농축 H₂SO₄(67%)의 피라나 용액(Piranha solution)으로 처리했고, 이어서 헥사메틸디실리자인(hexamethyldisilizane) 자가-조립형 단일층을 기상 증착하여 SiO₂ 표면의 소수성도를 증가시켰다. 소수성 기판에서 효과적인, SWCNT의 수성 용액으로부터의 증발 자가-조립에 관한 이전의 연구와 달리, 유기 용액을 이용하는 본 방법은 HMDS 처리된 기판 상에서 가장 좋은 결과를 가져왔다. HMDS 처리된 기판은, 그들이 낮은 하전된 불순물 농도를 초래하기 때문에 TFT 장치에서 유리할 수 있다.

도 3, 4(a) 및 4(b)의 고 해상도 SEM 및 AFM 이미지에서, 아크-방전 s-SWCNT의 정렬도는 랭뮤어-블로젯(Langmuir-Blodgett) 및 스핀 캐스팅 방법에서 관찰된 것 보다 특히 더 높았다(LeMieux, M. C.; Roberts, M.; Barman, S.; Jin, Y. W.; Kim, J. M.; Bao, Z. Self-sorted, aligned nanotube networks for thin-film transistors. Science 2008, 321, 101-4 및 Cao, Q.; Han, S. J.; Tulevski, G. S.; Zhu, Y.; Lu, D. D.; Haensch, W. Arrays of single-walled carbon nanotubes with full surface coverage for high-performance electronics. Nat. Nanotechnol. 2013, 8, 180-6 참조). 상기 정렬도는 하기 라만 분광학을 통해 더 구체적으로 정량된다. SEM 이미지를 사용하여 40-50 튜브 μm^-1의 선형 패킹 밀도를 정량하였다. 여기서 얻은 패킹 밀도는 수성 자가-조립으로부터 얻은 상대적으로 낮은 밀도(~20 튜브 μm^-1) 및 랭뮤어-블로젯 및 랭뮤어-세이퍼(Langmuir-schaefer) 방법을 이용하여 얻은 높은 값(>100 튜브 μm^-1) 사이에 있다(Shastry, T. A.; Seo, J. W.; Lopez, J. J.; Arnold, H. N.; Kelter, J. Z.; Sangwan, V. K.; Lauhon, L. J.; Marks, T. J.; Hersam, M. C. Large-area, electronically monodisperse, aligned single-walled carbon nanotube thin films fabricated by evaporation-driven self-assembly. Small 2013, 9, 45-51; Cao, Q.; Han, S. J.; Tulevski, G. S.; Zhu, Y.; Lu, D. D.; Haensch, W. Arrays of single-walled carbon nanotubes with full surface coverage for high-performance electronics. Nat. Nanotechnol . 2013, 8, 180-6 및 Li, X.; Zhang, L.; Wang, X.; Shimoyama, I.; Sun, X.; Seo, W. S.; Dai, H. Langmuir-Blodgett assembly of densely aligned single-walled carbon nanotubes from bulk materials. J. Am. Chem . Soc . 2007, 129, 4890-1 참조). 또한, 줄무늬의 두께는 3 nm 미만 이었고, 이는 s-SWCNT가 전체 선 부분에서 단일층 또는 이중층의 SWCNT로서 퇴적되었다는 것을 지시한다.

각각의 줄무늬 내에서 s-SWCNT 배열을 정량하기 위하여 극성 라만 분광법을 사용하였다. 도 5는 아크-방전 s-SWCNT로부터의 대표적인 라만 스펙트럼을 보여준다. 스펙트럼에서 보여지는 것은 래디얼 브리딩 모드(radial breathing mode, RBM, 160 cm^-1 근처에서), D-밴드, G-밴드, 및 G'-밴드 모드, 및 M-밴드와 관련된 이중 공명 특징이다(Brar, V.; Samsonidze, G.; Dresselhaus, M.; Dresselhaus, G.; Saito, R.; Swan, A.; Unlu, M.; Goldberg, B.; Souza Filho, A.; Jorio, A. Second-order harmonic and combination modes in graphite, single-wall carbon nanotube bundles, and isolated single-wall carbon nanotubes. Phys. Rev. B 2002, 66, 155418 참조). 519 cm^-1에서 하나의-포논 피크 및 900-1100 cm^-1범위에서 두 개의 포논 산란 피크들을 보정 및 표준화에서 사용하였다(Temple, P.; Hathaway, C. Multiphonon Raman Spectrum of Silicon. Phys. Rev. B 1973, 7, 3685-3697 참조). 1500-1680 cm^-1의 G-밴드의 부근에서의 스펙트럼은 도 6에서, 각도(δ)의 함수로서, 라만 여기 레이저 및 줄무늬 장축(long-axis) 사이에서 도시된다. G-밴드의 강도 vs δ는 삽도에서 도시된다.

줄무늬 내에서 s-SWCNT의 배향이 하기 가우시안 각도 분포에 의해 설명된다고 가정하였다.

, (1)

여기서, f는 줄무늬의 장축으로부터 각도(θ)로 오정렬된 줄무늬의 장축에서 s-SWCNT가 발견될 확률이고, σ는 분포의 각폭(angular width)이다. 이러한 분포에 기초하고 단일 s-SWCNT에 대한 라만 G-밴드가 레이저 편광에 cos² 의존한다는 점을 이용하여, 줄무늬에 대해 평행하게 분극된 여기(excitation) vs 이에 수직하게 분극된 여기에 대하여, G-밴드의 골(valley)에 대한 피크의 비율은 다음과 같이 주어진다.

. (2)

(Cao, Q.; Han, S. J.; Tulevski, G. S.; Zhu, Y.; Lu, D. D.; Haensch, W. Arrays of single-walled carbon nanotubes with full surface coverage for high-performance electronics. Nat. Nanotechnol . 2013, 8, 180-6; Li, X.; Zhang, L.; Wang, X.; Shimoyama, I.; Sun, X.; Seo, W. S.; Dai, H. Langmuir-Blodgett assembly of densely aligned single-walled carbon nanotubes from bulk materials. J. Am. Chem . Soc . 2007, 129, 4890-1; Hwang, J.; Gommans, H.; Ugawa, A.; Tashiro, H.; Haggenmueller, R.; Winey, K. I.; Fischer, J. E.; Tanner, D.; Rinzler, A. Polarized spectroscopy of aligned single-wall carbon nanotubes. Departmental Papers ( MSE ) 2000, 87, 및 Pint, C. L.; Xu, Y.-Q.; Moghazy, S.; Cherukuri, T.; Alvarez, N. T.; Haroz, E. H.; Mahzooni, S.; Doorn, S. K.; Kono, J.; Pasquali, M. Dry contact transfer printing of aligned carbon nanotube patterns and characterization of their optical properties for diameter distribution and alignment. ACS Nano 2010, 4, 1131-1145 참조).

본 발명의 방법에 의해 정렬된 s-SWCNT의 두 가지 유형들 모두에 대한 r을 측정하였다. HiPco 방법에 의해 제조된 직경 0.8-1.1 nm의 s-SWCNT의 r=15.8이며, 해당 σ=31°이었다. 아크-방정 방법에 의해 제조된 직경 1.3-1.7 nm의 s-SWCNT의 r=3.47이며, 해당 σ=14.41°이었다. 아크-방전 s-SWCNT의 정렬도는 HiPco s-SWCNT에 비해 현저히 우수했는데, 그 이유는 아크-방전 s-SWCNT가 더 견고하기 때문이다(직경이 더 크기 때문). 아크-방전 및 HiPco s-SWCNT의 평균 길이는, AFM에 의해 측정하였을 때, 각각 464.6 및 449.1 nm이었다. 길이의 유사성은 아크-방전 SWCNT의 개선된 정렬이 구조적 강성의 결과일 수 있다는 점을 시사한다. 공극, 굽힘 결함 및 임의로 배향된 SWCNT를 포함하는, 정렬 결점은 HiPco-방전 및 아크-방전 s-SWCNT 조립체 모두에서 발견되었다. 그러나, 나노튜브의 굽힘 및 루핑(looping)에 의한 결함은 HiPco s-SWCNT와 더 관계가 있었다. 본 발명의 아크-방전 s-SWCNT의 정렬도는, 도 8에서, 다른 보고된 방법과 비교할 때 필적할만한 s-SWCNT 밀도를 보였다. 도면의 데이터는 Shastry 2013(Shastry, T. A.; Seo, J. W.; Lopez, J. J.; Arnold, H. N.; Kelter, J. Z.; Sangwan, V. K.; Lauhon, L. J.; Marks, T. J.; Hersam, M. C. Large-area, electronically monodisperse, aligned single-walled carbon nanotube thin films fabricated by evaporation-driven self-assembly. Small 2013, 9, 45-51) Lemieux 2008 (LeMieux, M. C.; Roberts, M.; Barman, S.; Jin, Y. W.; Kim, J. M.; Bao, Z. Self-sorted, aligned nanotube networks for thin-film transistors. Science 2008, 321, 101-4), Cao 2013 (Cao, Q.; Han, S. J.; Tulevski, G. S.; Zhu, Y.; Lu, D. D.; Haensch, W. Arrays of single-walled carbon nanotubes with full surface coverage for high-performance electronics. Nat. Nanotechnol . 2013, 8, 180-6), Shekhar 2011 (Shekhar, S.; Stokes, P.; Khondaker, S. I. Ultrahigh density alignment of carbon nanotube arrays by dielectrophoresis. ACS Nano 2011, 5, 1739-46), Engel 2008 (Engel, M.; Small, J. P.; Steiner, M.; Freitag, M.; Green, A. A.; Hersam, M. C.; Avouris, P. Thin Film Nanotube Transistors Based on Self-Assembled, Aligned, Semiconducting Carbon Nanotube Arrays. ACS Nano 2008, 2, 2445-2452) 및 Hong 2010 (Hong, S. W.; Banks, T.; Rogers, J. A. Improved Density in Aligned Arrays of Single-Walled Carbon Nanotubes by Sequential Chemical Vapor Deposition on Quartz. Adv . Mater. 2010, 22, 1826-1830)으로부터 얻었다.

고 전자급 순도 및 고 정렬도 모두는 s-SWCNT 기반의 전자 장치에서 매력적이다. 주된 증거로서, s-SWCNT FET를 제작하였고, 그들의 전하 수송 이동성 및 전도도 조절을 평가하였다. 도 9는 p-형 방식을 갖는 전형적인 9 μm 채널 길이 장치의 출력 특성을 보여주며(도 11), 이는 대기에서 측정된 CNT FET로 예측된다. 도 10에서 보여진 이동 특징은, 정렬된 SWCNT의 우수한 반도체성 특성을 증명한다. V_DS=-1V인 소스-드레인 편향(source-drain bias)에서, 폭 당 전도도 및 온/오프 전도도 조절은 각각 4.0 μS μm^-1 및 2.2 x 10⁶이다(도 10). 전계 효과 이동도는 평행 플레이트 정전 용량 모델을 이용하여, μ = gL / V _DS C _ox W에 따라 추출되었으며, 여기서 g는 트랜스컨덕턴스(transconductance)이고, L 및 W는 각각 채널 길이 및 폭이다. 본원에서 달성된 이동도는 38 cm²V^-1s^- ¹이었다. 고 온/오프 비율 및 전도도 조절을 동시에 달성한 Sangwan 등의 것과 FET의 성능을 비교하였다(See, Sangwan, V. K.; Ortiz, R. P.; Alaboson, J. M. P.; Emery, J. D.; Bedzyk, M. J.; Lauhon, L. J.; Marks, T. J.; Hersam, M. C. Fundamental Performance Limits of Carbon Nanotube Thin-Film Transistors Achieved Using Hybrid Molecular Dielectrics. ACS Nano 2012, 6, 7480-7488 참조). Sangwan 등의 10 μm 채널 길이 장치와 비교하면, 폭 당 유사한 온-전도도를 달성하였으나, 10배를 초과하는 고 온/오프 전도도 조절을 달성하였다. Sangwang 등은 본원에서 보고된 약 50 μm의 채널 길이에서의 전도도 조절과 유사한 온/오프 전도도 조절을 달성하였으나; 본원발명의 FET에 비해 10배 작은 폭 당 온-전도도를 달성하였다.

결론적으로, 도입량-조절된, 플로팅 증발식 자가-조립체를 사용하고 수조의 공기/물 계면에서 클로로포름의 확산을 활용하여 잘-정렬된 배열의 고도의 전자식으로 분류된 반도체성 단일-벽 탄소 나노튜브(s-SWCNT)을 제작하였다. 신속히 증발하는 클로로포름 프론트는, 주변 조건하에, 공기/물 계면에서 부분적으로 침지된 기판 상에서 튜브의 정렬을 도왔다. 용액 중 기결정된 앨리쿼트의 도입량을 정기적으로 사용하여 줄무늬의 위치 및/또는 주기성을 제어하는 것은 기능성 s-SWCNT 구조물을 만들기 위한 대면적 제작 공정을 상당히 비용-효율적으로 만든다.

실험 부분

반도체성 SWCNT의 제조:

아크-방전: 아크-방전SWCNT 분말(2 mg ml^-1) 및 PFO-BPy(American Dye Source, 2 mg ml^- ¹)의 혼합물을 톨루엔(30 ml) 중에서 30분 동안 초음파 처리하였다. 용액을 50,000 g의 원심분리관(swing bucket rotor)에서 5분 동안 원심분리하였고, 다시 50,000 g의 원심분리관에서 1시간 동안 원심분리 하였다. 상청액을 수집하고 시린지 필터(syringe filter)를 통해 여과하였다. 30분에 걸쳐서 증류하여 톨루엔을 제거하였다. PFO-BPy 및 s-SWCNT의 잔여물을 테트라히드로퓨란(THF) 중에 재분산시켰다. THF 중의 s-SWCNT 용액을 15℃에서 12시간 동안 원심분리 하였다. 상청액(과잉 PFO-BPy)을 폐기하였고, 펠릿을 THF 중에 재분산시켰다. THF를 제거한 후에, 잔여물을 클로로프름 중에 10 μg ml^-1의 농도로 분산시켰다.

HiPco : 톨루엔 중에 2 mg ml^-1의 HiPco 분말 및 2 mg ml^-1의 PFO (American Dye Source)를 이용하여 HiPco(Nanointegris Inc.) SWCNT의 초기 분산액을 제조하였다. 아크-방전 SWCNT와 동일한 초음파 처리, 원심분리, 및 증류 절차를 s-SWCNT의 분산액에 사용하였고, 원치 않은 물질을 분리하고, 및 과잉 폴리머를 제거하였다.

라만 분광법 특징: 532 nm의 레이저 여기 파장을 구비한 공초점 라만 현미경(Aramis Horiba Jobin Yvon Confocal Raman Microscope.)에서 라만 특징을 측정하였다. 장치는 샘플 및 입사빔 레이저 사이에 선형 편광 필터를 구비하여 분극-의존적 측정을 가능하게 한다.

이미징 : LEO-1530 전계 방사 주사형 전자 현미경(FE-SEM)을 이용하여 SEM 이미지를 수집하였다. s-SWCNT의 표면 형태는 Nanoscope III Multimode atomic force microscope (Digital Instruments)를 이용하여 사진을 찍었다. AFM 측정을 위하여 태핑 모드(tapping mode)를 이용하였다. 완전한 피라미드형 Si₃N₄ 팁을 구비한 삼각형 캔틸레버(triangular cantilever)를 사용하였다. 전형적인 이미징 포스는 대략 10^-9 N이었다.

랭뮤어 블로젯 수조 및 기판( Langmuir - Blodgett trough and substrate): 웰헬미밸런스(Wilhelmy balance)(백금 플레이트)를 갖는 LB 수조(KSV NIMA Medium size KN 2002)를 23 °C에서 s-SWCNT를 확산시키기 위한 수조로서 주로 사용하였다. Milli Q 물(저항, 약 18.2 MΩ cm)을 서브-상(sub-phase)의 물로 사용하였다. Si/SiO₂ 기판을 H₂O₂ (33%)/농축 H₂SO₄ (67%)의 피라냐 용액으로 20분간 세척하고 탈이온수(DI)로 세척하였다. 피라냐 처리 이후에, 기판을 헥사메틸디실리잔 자가-조립형 모노층으로 코팅하였다(기상 증착).

FET 제작: 우선, 아크-방전 s-SWCNT의 줄무늬를 90 nm 열 성장 SiO₂를 갖는 고도로 도핑된 Si 기판 상에 증착하였으며, 이들은 각각 백 게이트 전극(back gate electrode) 및 유전체로서 기능하였다. 이후에, 전자 빔 리소그래피(Electron beam lithography)를 사용하여 줄무늬를 패턴화하였고, 이에 따라 줄무늬들은 4 μm의 잘 정의된 폭을 가졌다. 이후에, 99.999% 이상의 Ar(95%): H₂(5%)의 혼합물에서 샘플들을 어닐링하여, PFO-BPy 폴리머를 일부 분해하였고, 이어서 1x10^-7 Torr 및 400°C에서 20 분 동안 진공 하에 어닐링하였다. 제2 전자빔 리소그래피 단계를 사용하여 상부-접촉된 전극을 규정하였다. Pd의 열 증착(40 nm)을 사용하여 s-SWCNT 줄무늬에 대한 소스 및 드레인 접촉을 형성하였다. 마지막으로, 장치를 225°C 아르곤 분위기 하에서 어닐링하였다.

실시예 2

실시예 2는 전계 효과 트랜지스터에서 예외적으로 전자식 분류된, 정렬된 s-SWCNT의 성능을 보여준다. 고 온-전도도 및 고 온/오프 전도도 조절은 개별적인 s-SWCNT보다 짧거나 긴 채널 길이 모두에서 동시적으로 달성된다. S-SWCNT 및 m-SWCNT의 비균질 혼합물로부터, 반도체 선택성 시제로서 폴리플루오렌-유도체를 사용하여 s-SWCNT를 단리하였고, 도입량-제어된, 플로팅 증발 자가-조립체를 통해 기판 상에 정렬하였다.

실시예 1은 폴리플루오렌-유도체 폴리[(9,9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일)-알트-코-(6,6'-{2,2'-비피리딘})](PFO-BPy)를 분류제로서 사용하여 SWCNT의 다분산계 혼합물로부터 단리된 s-SWCNT가 도입량-조절된, 플로팅 증발 자가-조립체 상에 정렬될 수 있다는 것을 보여준다. 이 실시예는 FET에 대해 채널 물질로서 이러한 정렬된 s-SWCNT의 성능을 평가하고, 채널 길이의 전반에 걸쳐서, 이전에 보고된 연구에 비하여 이례적으로 높은 온/오프 전도도 조절 및 온-전도도를 보고한다.

고 순도의 s-SWCNT를 NanoLab Inc.로부터 구입한 아크 방전 합성된 SWCNT 분말로부터 추출하였다. Mistry 등에 의해 보고된 절차를 응용하여 톨루엔 중의 PFO-BPy의 용액 내에 상기 분말을 분산시킴으로써 s-SWCNT를 단리하였다. 초기 분산 공정 도중에, 폴리머는 주로 반도체 종을 선택적으로 코팅하고 용해시킨다. 테트라히드로퓨란 중에 s-SWCNT를 분산시킨 후, 침강 및 분산 사이클을 반복하여, s-SWCNT 표면에 강하게 결합하지 않은 폴리머 쇄를 효과적으로 제거함으로써 과잉 폴리머를 제거하였다. 과잉 폴리머를 제거하는 것은 정렬된 s-SWCNT 배열의 자가-조립을 개선하였고, 고성능을 위하여 FET에서 금속 전극에 대한 s-SWCNT의 접촉을 개선하였다.

분류된 및 분류되지 않은 PFO-BPy SWCNT 용액의 비교를 위해서, 이들의 광흡수 스펙트럼을 얻었다. 분류되고 분류되지 않은 스펙트럼 모두에 있어서, 1.3-1.7 nm 직경을 갖는 s-SWCNT의 키랄 분포로부터의 피크들의 중첩에 의하여 1050 nm 파장 부근에서 S₂₂ 광 전이가 넓어졌다. 이전의 연구는 포토루미네선스(photoluminescence) 및 라만 분광학을 사용하여, PFO-BPy가 직경에 의해 강하게 구분되지 않고, 전자식으로 구분되어서, s-SWCNT 시작 물질과 일치하는 직경 분포를 가져온다는 점을 확인하였다. 분류되지 않은 스펙트럼에서 보이는 넓은 M₁₁ 피크는 분류 후에 측정할 수 없었고, 이는 99% 초과의 순도를 시사한다. 400-600 nm로부터의 특징은 PFO-BPy로부터의 흡수와 결부된, 360 nm을 중심으로 하는 S₃₃ s-SWCNT 전이의 조합이다.

FET 장치에 대하여, 90 nm 두께의 SiO₂ 유전체 층을 갖는 고도로 도핑된 Si 기판을 게이트 전극 및 유전체로서 각각 사용하였다. s-SWCNT 퇴적 이전에, 상기 기판을 20mlH₂SO₄:10mlH₂O₂의 용액으로 처리한 후, 헥사메틸디실리잔(hexamethyldisilizane) 자가-조립 단층을 증착하여 SiO₂ 표면의 소수성도를 증가시켰다. 도입량-조절된, 플로팅 증발 자가-조립 절차는 하기에서 간략히 설명되고 및 상기 실시예 1에서 구체적으로 설명된다. 클로로포름 중의 10 μg ml^-1 s-SWCNT 용액의 액적("도입량")을 수조 상에서 주조하였다. s-SWCNT는 물의 표면 전역에 걸쳐 퍼지고, 기판 상에 퇴적되었고, 상기 기판은 수조로부터 공기-물 계면에 법선 방향으로 천천히 추출되었다. 각각의 액적은 기판의 전체 너비에 걸쳐서 잘-정렬된 s-SWCNT 줄무늬를 만들었다. 여기에서, 상기 기판이 5 mm min^-1의 일정한 속도로 들어올려질 때, 통과 표면에 액적을 연속적으로 12초 간격으로 첨가하여 주기적인 줄무늬 배열이 이루어진다.

단일 줄무늬에서 s-SWCNT의 균일성, 밀도 및 두께를 SEM, AFM 및 라만 분광학을 이용하여 나타냈다(각각, 도 12, 13 및 14). 도 13에서 보여지는 AFM 두께 프로파일은 2-4 nm 사이에 변화하였으며, 이는 대개 각각의 줄무늬가 나노튜브들이 겹쳐진 국소 영역을 갖는 s-SWCNT의 단일층으로 구성된다는 것을 지시한다. s-SWCNT의 G-밴드 라만 강도(3 mW, 532 nm)는 도 14에서 하나의 줄무늬에 대해 공간적으로 매핑되고, 기판 Si 피크 강도에 대해 정규화된다. G-밴드 강도는 오직 ±12.5%로 변화하였으며, 이는 각각의 줄무늬 내에서 s-SWCNT의 밀도가 상당히 균일하였다는 것을 지시한다. SEM 사진(도 12에 제시된 예)을 사용하여 40-50 SWCNT μm^-1의 s-SWCNT 선형 패킹 밀도를 정량화하였다. 이러한 측정은 줄무늬가 가끔 나노튜브들 간에 중첩을 가지며 무작위로 배향된 s-SWCNT로부터 잘-단리된 s-SWCNT의 단층이라는 것을 지시하며, 상기 무작위로 배향된 s-SWCNT는 2 μm마다 하나의 무작위로 배향된 s-SWCNT가 연속적으로 발견(linear occurrence)되는 잘-정돈된 s-SWCNT로 엮어진다. 무작위로 겹쳐진 나노튜브는 채널 길이(L_C)가 s-SWCNT 길이보다 훨씬 큰(L_C>>L_N) FET 침투 요법에서 SWCNT 간의 연결성을 규명하는데 유익할 수 있다.

전자빔(e-빔) 리소그래피를 이용하여 줄무늬로부터 FET를 제작하였다. 줄무늬는 그 폭이 10-20 μm로 변화하였다. 그러므로, 그들은 리소그래피적으로 패턴화되어 4 μm의 일정한 FET 채널 폭을 보장한다. 먼저, e-빔 패터닝을 사용하여 원치 않는 s-SWCNT가 제거될 곳의 s-SWCNT 줄무늬 주변 영역을 노출시키고, 산소 플라즈마(50 W, 10mTorr, 및 10 sccm O₂ 유량)에 대한 20초 노출을 통해 에칭하였다. PMMA 레지스트를 제거하기 위하여, 막을 아세톤 및 톨루엔 중에 각각 30분 동안 60℃에서 성장시키고 이소프로필 알코올로 세척하였다. 이후에, 샘플을 500℃에서 ≥ 99.999% Ar(95%):H₂(5%) 중에 어닐링하여 PFO-BPy를 부분적으로 제거하고 분해하였다. 추가적인 어닐링 단계를 1x10-7 Torr의 고진공 하에, 400℃에서 20분 동안 수행하여, 폴리머 잔류물을 추가 분해하고 부분적으로 제거하였다. 2차 e-빔 단계는 소스-드레인 전극 및 접촉 패드를 규정했다. 패턴을 성장시켜서 레지스트를 제거하였고, 그 밑에 전극 패턴을 0.1 W cm^-2의 출력으로 90초 동안 공기 중에서 자외선 광에 노출시켜서(SCD88-9102-02 BHK Inc.) s-SWCNT 표면에 대한 Pd의 접착력을 향상시켰다. 40 nm 두께의 Pd 층의 열 증발, 이후에 샘플을 120℃에서 5분 동안 아세톤 중에 침지하고 30초 동안 아세톤으로 바스 초음파 분해처리(bath sonification)하여 이루어지는 리프트 오프(lift off)는 소스-드레인 전극을 규정하였다. 측정 직전에, 장치를 Ar 중에 225℃에서 어닐링하여 접촉 저항을 향상시켰다. 결과물로 얻은 400 nm 장치의 장치 구조는 도 12에서 보여진다.

Keithley 소스 미터 장비(Model 2636A)를 사용하여 s-SWCNT 채널 FET의 전기적 특성을 측정하였다. 직접 및 침투 레짐(regimes) 모두에서 이동 특성을 정량화하고 s-SWCNT의 전자식 순도를 평가하기 위하여, 다양한 채널 길이의 장치에 대해 측정하였다. 전형적인 9 μm 채널 길이 장치(침투 레짐에서)의 특징은 정렬된 s-SWCNT의 p-형 거동을 증명하는 도 15에서 보여진다. 낮은 장에서, 전류 출력은 Pd-SWCNT 계면에서의 옴 접촉을 지시하는 선형 거동을 따랐다. 이동 특성은 인서트(insert)에서 보여진다. 표면 흡착물질을 제거하도록 처리되지 않은 SWCNT-계 장치를 대표하는 히스테리시스(hysteresis)를 관찰하였다. 상기 장치의 온/오프 비율은 5 x 10⁵이었다. 온-전도도는 7.3 μS μm^-1이었고, 이는 46 cm²V^-1s^-1의 전계-효과 이동도에 대응되고, 표준 평행판 축전기 모델이 적용된다:

(3)

각각의 장치에 대한 폭 및 다양한 채널 길이 0.4, 1, 2, 3, 4 및 9 μm에 대해 정규화된 온- 및 오프- 전도도는 도 17에서 표시된다. 채널 길이의 증가 순서에서 채널길이가 가장 긴 장치는 61, 31, 24, 18, 16, 및 7.5 μS μm^-1의 폭마다 온-전도도를 가진다. 채널 길이의 증가 순서로 달성된 최대 온/오프 비율은 4.1 x 10⁵, 4.1 x 10⁵, 4.4 x 10⁵, 5.6 x 10⁵, 3.4 x 10⁵, 및 2.2 x 10⁷이다. 온-전도도의 분포 및 시험된 모든 장치들의 온/오프 비율은 문헌에서 보고된 최신식 s-SWCNT FET 성능에 대해 도 18에서 비교된다. 선행 논문들은 Sangwan (V. K. Sangwan, R. P. Ortiz, J. M. P. Alaboson, J. D. Emery, M. J. Bedzyk, L. J. Lauhon, T. J. Marks, and M. C. Hersam, ACS Nano 6 (8), 7480 (2012)), Engel (M. Engel, J. P. Small, M. Steiner, M. Freitag, A. A. Green, M. S. Hersam, and P. Avouris, ACS Nano. 2 (12), 2445 (2008)), Miyata (Y. Miyata, K. Shiozawa, Y. Asada, Y. Ohno, R. Kitaura, T. Mizutani, and H. Shinohara, Nano . Research 4 (10), 963 (2011)), Kang (S. J. Kang, C. Kocabas, T. Ozel, M. Shim, N. Pimparkar, M. A. Alam, S. V. Rotkin, and J. A. Rogers, Nat. Nanotechnol. 2 (4), 230 (2007)), Jin (S. H. Jin, S. N. Dunham, J. Song, X. Xie, J. H. Kim, C. Lu, A. Islam, F. Du, J. Kim, J. Felts, Y. Li, F. Xiong, M. A. Wahab, M. Menon, E. Cho, K. L. Grosse, D. J. Lee, H. U. Chung, E. Pop, M. A. Alam, W. P. King, Y. Huang, and J. A. Rogers, Nat. Nanotechnol. 8 (5), 347 (2013)), Cao (Q. Cao, S. J. Han, G. S. Tulevski, Y. Zhu, D. D. Lu, and W. Haensch, Nat. Nanotechnol. 8 (3),180 (2013)), Sun (D. M. Sun, M. Y. Timmermans, Y. Tian, A. G. Nasibulin, E. I. Kauppinen, S. Kishimoto, T. Mizutani, and Y. Ohno, Nat. Nanotechnol. 6 (3), 156 (2011)), Wu (J. Wu, L. Jiao, A. Antaris, C. L. Choi, L. Xie, Y. Wu, S. Diao, C. Chen, Y. Chen, and H. Dai, Small, n/a (2013)), and Kim (B. Kim, S. Jang, P. L. Prabhumirashi, M. L. Geier, M. C. Hersam, and A. Dodabalapur, App. Phys. Lett. 103 (8), 082119 (2013))이다.

최대 240 μS μm^-1의 온-전도도가 직접 이동 상에서 SWCNT FET에 대하여 보고되었으나, 이러한 장치에서 온/오프 비율은 10³이하로 제한되었으며, 이는 짐작컨대 금속성 나노튜브의 존재에 의한 것이다. 유사하게, 침투 레짐에서도, 대략 10⁷의 높은 온/오프 비율이 달성되었지만, 장치는 네트워크 s-SWCNT FET에서 다수의 침투 경로 또는 정렬된 CVD 막에서 s-SWCNT의 낮은 밀도 때문에 5 μm 초과의 채널 길이에 대하여 4 μS μm^-1 이하의 온-전도도로 제한되었다. 예를 들어, 침투 레짐에서 높은 온-전도도 및 온/오프 비율을 동시에 달성하는 것은 도전적인 것이다 (D. M. Sun, M. Y. Timmermans, Y. Tian, A. G. Nasibulin, E. I. Kauppinen, S. Kishimoto, T. Mizutani, and Y. Ohno, Nat. Nanotechnol. 6 (3), 156 (2011) 및 S. H. Jin, S. N. Dunham, J. Song, X. Xie, J. H. Kim, C. Lu, A. Islam, F. Du, J. Kim, J. Felts, Y. Li, F. Xiong, M. A. Wahab, M. Menon, E. Cho, K. L. Grosse, D. J. Lee, H. U. Chung, E. Pop, M. A. Alam, W. P. King, Y. Huang, and J. A. Rogers, Nat. Nanotechnol. 8 (5), 347 (2013) 참조).

여기서, 고 온-전도도 및 고 온/오프 비율을 동시에 달성하였다. 직접 레짐(regime) 중에 400 nm 채널 길이에서, 폭 당 61 μS μm^-1정도로 높은 온-전도도를 달성하였으며, 이와 동시에 2 x 10⁵의 중앙값 온/오프 비율을 유지한다. 침투 레짐 중에 9 μm 채널 길이에서, 2 x 10⁶의 중앙값 온/오프 비율을 달성하였으며, 이와 동시에 7.5 μS μm^-1정도로 높은 전도도 값에 도달한다. 1-4 μm 범위의 중간 채널 길이에서, 달성된 온-전도도 및 온/오프 비율은 도 18의 반비례 경사 선을 따라 이러한 두 경우의 사이에 속한다. 일반적으로, 본 발명의 장치의 성능은 임의의 다른 장치들의 집단에 비해 도 18의 그래프의 우상단 코너로 더 밀어내며, 이는 이러한 이전의 연구에 비해 온-전도도 및 온/오프 비율의 추가적인 확대를 나타낸다.

동시에 고 온-전도도 및 온/오프 비율은 (a) s-SWCNT의 고 반도체성 순도 및 (b) 그들의 고도의 정렬도를 포함하는 요인들의 조합으로부터 기인할 것으로 예상된다. 추가적인 요인은 (c) s-SWCNT 퇴적 도중에 s-SWCNT 번들링 및 상호작용을 감소시키는 폴리머 감싸게(wrapper)의 존재에 의한 나노튜브들 간의 전하 스크리닝의 감소 때문일 수 있다. 요인 (a)를 시험하기 위하여, 400 nm의 채널 길이를 갖는 22개의 상이한 FET 장치를 측정하였다. 실시예 1에 제시된 개별 s-SWCNT 길이 분포의 분석은 대략 절반의 개별 s-SWCNT의 길이가 400 nm를 초과하였다는 것을 나타냈다. 따라서, 이러한 400 nm FET는 금속성 SWCNT의 존재를 민감하게 측정하였다. 이러한 FET는 4,071 개별 s-SWCNT 또는 s-SWCNT의 적은 쌍 또는 번들로 구성되었다. 각각의 FET의 전도도 조절(도 16)을 사용하여 FET 내에서 SWCNT의 전자식 순도를 추정하였으며, 이때 상기 FET에서, 채널을 직접적으로 신장시키는 단일 금속성 나노튜브의 존재가 오프-전도도에 대략 1-10 μS의 실질적 증가를 초래할 것이다. 중앙값 온-전도도는 130 μS이었고, 따라서 채널을 신장시키는 단일 금속성 나노튜브를 함유하는 FET에 대한 온/오프 비율은 대략 10¹-10² 감소될 것으로 예상되었다. 측정된 장치들의 온/오프 비율에 있어서, 최소 온/오프 비율은 6.8 x 10³이었고, 이는 단일 금속성 나노튜브를 함유하는 장치에서 예상된 최대 온/오프 비율에 비해 거의 10²배 더 컸다. 중앙값 온/오프 비율은 2 x 10⁵이었고, 오직 3개의 장치만이 10⁴ 보다 낮은 온/오프 비율을 가졌다. 만일 4,071개 종류의 절반이 채널을 완전히 신장시키는 개별 SWCNT이며, 이것이 실시예 1에서의 길이 분포의 측정값에 기초할 때 타당한 추정치이면, 여기서 분류된 SWCNT의 반도체성 순도는 99.95% 이상이었다.

요인 (b)를 SEM 이미지에 의해 확인하였지만, 요인 (c)를 다음과 같이 평가하였다. 평균 SWCNT 간의 간격은 약 20 nm이었고, 용액 중에 번들의 존재는 클로로포름 중에 PFO-BPy s-SWCNT의 높은 용해도 때문에 최소화되었다. S-SWCNT 둘레에서 PFO-BPy 코팅의 안정도가 건조하는 동안에 SWCNT 간의 상호작용을 제한할 수 있고, 이에 의하여 적은 전하 스크리닝 상호작용을 갖는 정렬된 s-SWCNT 막을 만들었다.

개별 s-SWCNT 또는 s-SWCNT의 적은 쌍 또는 번들이 모두 개별 s-SWCNT라는 가정하에서, s-SWCNT 당 1.2 μS 정도로 높은 전도도가 400 nm 채널 길이의 장치에서 달성되었다. 튜브 당 전도도를 더 향상시키도록 맞춰질 수 있는 몇몇 요인들, 예를 들어, (i) 직경 분포를 좁히고 더 큰 직경의 s-SWCNT으로 옮기는(shifting) 것, (ii) 길이에 따라 s-SWCNT를 분류하여 그들 모두가 실제로 채널을 개별적으로 신장시키는 것을 보장하거나 또는 대안적으로 더 짧은 채널 길이를 사용하는 것, (iii) 향상된 전도도 조절을 위한 국소 상부 게이트 구조를 사용하는 것, 및 (iv) SWCNT-Pd 계면에서 접촉 저항을 증가시킬 수 있는 PFO-BPy 폴리머 잔류물의 더 나은 제거와 같은 요인들이 존재한다.

실시예 3.

본 실시예에서, 뛰어난 전자기 순도 수준(99.9% s-SWCNT)을 갖는 정렬된 s-SWCNT를 포함한 막을 연속, 플로팅 증발 자가-조립 공정을 이용하여 높은 퇴적 속도에서 퇴적하였다. 아크 방전 기술을 사용하여 SWCNT를 만들었고, 상기 SWCNT는 약 13 내지 약 19 Å의 범위의 직경을 가졌다.

기판 제조: 큰 실리콘 웨이퍼로부터 직사각형의 실리콘 조각(약 1 cm 폭 3 cm 길이)을 절단하였다. 이러한 실리콘 조각은 코팅될 기판의 역할을 하였다. 상기 기판을 H₂O₂ (33%)/농축 H₂SO₄ (67%)의 피라냐 용액으로 약 20분간 세척하였고 탈이온수로 세척하였다. 피라냐 처리 후, 상기 기판을 헥사메틸디실리잔(hexamethyldisilizane) 자가-조립 단층(기상 증착)으로 코팅하였다.

s- SWCNT 잉크 제조: 아크-방전 SWCNT 분말(2 mg ml^-1) 및 폴리[(9,9-디옥틸플루오레닐-2,7-디일)-알트-코-(6,6'-{2,2'-비피리딘})](PFO-BPy)(American Dye Source, 2 mg ml^- ¹)를 톨루엔(30 ml) 중에서 30분간 초음파처리 하였다. 용액을 스윙 버켓 로터(swing bucket rotor) 중에 50,000 g에서 5분간 원심분리한 후, 다시 50,000 g에서 1시간 동안 원심분리하였다. 상청액을 수집하고 시린지 필터(syringe filter)를 통해 여과하였다. 30분 동안 지속적인 증류를 통해 톨루엔을 제거하였다. PFO-BPy 및 s-SWCNT의 잔류물을 테트라히드로퓨란(THF)에 재분산시켰다. THF 중의 s-SWCNT 용액을 15℃에서 12시간 동안 원심분리하였다. 상청액(과잉 PFO-BPy)을 제거하였고, 펠렛을 THF 안에 재 분산시켰다. THF를 제거한 후, 잔류물을 클로로포름 내에 20 μg/mL 또는 10 μg/mL의 농도로 분산시켰다. (1 내지 20 μg/mL 농도가 성공적으로 실험됨)

실험 장치: 기판을 모터에 실장하였고, 이에 따라 상기 기판은 수직 방향으로 균일한 속도로 들려 올려진 후 탈이온수 욕조 내에 부분적으로 침지될 수 있다. 20 게이지 바늘(Hamilton, point style #2 - beveled)을 사용하여 탈이온수의 표면 상의 퍼들(puddle) 안에 s-SWCNT 잉크를 분산시켰다. 바늘을 다음과 같이 위치시켰다: 기판을 마주보는 바늘의 개구부가 수조의 표면에 대하여 대략 45°에 위치됨; 바늘의 끝(tip)이 기판에 매우 근접하여 위치됨(40/1000'' 내지 200/1000''의 길이가 성공적으로 실험됨); 및 바늘은 바늘의 끝이 물 표면에서 약간의 딤플(dimple)을 형성할 때까지 물을 향하여 낮춰짐. (20 내지 34 게이지의 바늘이 성공적으로 실험됨)

한 실험 진행("진행 A")에서, 폭(약 5 cm)의 얇은 시트의 금속 조각(스테일레스 강)을 부분적으로 삽입하여 바늘 뒤에 "댐(dam)"을 형성하였다. 바늘 및 댐 사이에 1 mm 스페이서는 바늘에 의해 유체가 물 표면 위로 막힘 없이 흐르도록 공급되는 것을 보장하였다. 댐은 퍼들의 외향류(즉, 기판으로부터 멀리)를 제한하고, 이에 의하여 더 낮은 잉크 유량의 사용을 가능하게 하여 퍼들을 유지한다.

실험 절차: s-SWCNT 잉크를 연속 흐름으로 퍼들에 공급하였다. (160 내지 320 μL/분의 유량에서 성공적으로 실험됨) 이와 동시에, 탈이온수 및 퍼들의 밖으로 기판을 수직 방향으로 들어올렸다(1 내지 15의 승강 속도에서 성공적으로 시험됨). 잉크는 표면을 가로질러 기판으로 흘러서 단층 CNT 막을 퇴적하였다. 실험의 종결시에 기판을 수조로부터 완전히 들어올렸다. 나아가, 후-막 형성 처리(어닐링 등)는 적용에 따라 필요할 수 있지만, 이 시점에서 막 퇴적을 완료하였다.

2개의 실험 진행을 수행하였다. 첫 번째로, 진행 A에서, 잉크 중에 SWCNT의 농도는 20 μg/mL이었고; 바늘의 끝을, 기판에 수직인 선을 따라 측정하였을 때, 기판 표면으로부터 40/1000''에 위치시켰으며; 잉크를 200 μL/분의 유량으로 공급하였고; 기판을 15 mm/분의 속도로 수직방향으로 들어올렸다. 두 번째로, 진행 B에서, 잉크 중에 SWCNT의 농도는 10 μg/mL이었고; 바늘의 끝을, 기판에 수직인 선을 따라 측정하였을 때, 기판 표면으로부터 80/1000''에 위치시켰으며; 잉크를 320 μL/분의 유량으로 공급하였고; 기판을 5 mm/분의 속도로 수직방향으로 들어올렸다.

막 이미징: 퇴적된 막을 LEO 1530 FE-SEM(주사형 전자 현미경)을 이용하여 사진 찍었다. 전자 빔을 5.0 kV로 가속시켰다. 최대 이미지 품질을 위해 작업 거리를 일반적으로 3.5 내지 6.5 mm의 범위로 조정하였다. 인-렌즈(in-lens) 2차 전자 검출장치를 사용하여 이미지를 얻었다. SEM으로 사진을 찍기 위하여 샘플들을 전처리하거나, 또는 전처리를 필요로 하지 않았다. 도 21은 진행 A에서 퇴적된 정렬된 s-SWCNT 막의 SEM 이미지이다. 도 22a는 진행 B에서 퇴적된 정렬된 s-SWCNT 막의 SEM 이미지이다. 도 22b는 도 22a의 SEM 이미지 중 확대된 일부를 보여준다.

실시예 4

본 실시예에서, 뛰어난 전자기 순도 수준(99.9% s-SWCNT)을 갖는 정렬된 s-SWCNT를 포함한 막을 연속, 플로팅 증발 자가-조립 공정을 이용하여 높은 퇴적 속도에서 퇴적하였다. 문헌[Shea, M. J.; Arnold, M. S., Applied Physics Letters 2013, 102 (24), 5]에서 기술된 바와 유사한 절차를 이용하여, (7, 5) s-SWCNT로 언급되는 SWCNT를 만들었다.

일산화탄소 불균화반응의 코발트 몰리브덴 촉매(CoMoCAT)로부터 유래된 소직경의 나노튜브(Southwest Nanotechnologies, Lot# SG65i-L38)의 분말로부터 (7, 5) s-SWCNT를 추출하였다. 톨루엔 중에 폴리(9,9-디옥틸플루오렌-2,7-디일)(PFO)의 용액에 상기 분말을 분산시키는 것에 의해 (7, 5) 종을 단리하였다. 2:1(w/w) 미만의 PFO:나노튜브 용액이 얻어질 때까지, 테트라히드로퓨란에서 침전 및 재분산을 반복하여 과잉 PFO를 제거하였다. 연속 FESA 퇴적용 s-SWCNT 잉크를 제조하기 위한 최종 단계에서, 클로로포름 중에 나노튜브를 분산시키고 10 μg/mL 농도를 희석하였다.

아크 방전 나노튜브의 FESA 퇴적을 위해 사용하였던 절차와 유사한 절차를 이용하여 HMDS 처리된 Si/SiO₂ 기판위로 PFO: (7, 5) 나노튜브를 퇴적시켰다. 보조 댐(backing dam)은 7,5 FESA 퇴적에서 사용되지 않았다. 20 게이지 바늘, 시린지 펌프에 의해 제어된 200 μL/분의 유량, 및 5 mm/분의 기판 승강 속도를 이용하였다.

앞서 설명된 본 발명의 예시적 구현예는 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 본 발명을 총망라하거나 정확히 개시된 형태로 한정하는 것으로 의도되지 않고, 앞선 교시를 참고하여 변형 및 개선이 이루어질 수 있거나 상기 변형 및 개선이 본 발명의 실시로부터 습득할 수 있다. 구현예들은, 본 발명의 원리를 설명하기 위하여, 그리고 본 발명의 실제 응용으로서 통상의 기술자가 본 발명을 다양한 구현예 및 고려되는 특정 용도에 적합한 다양한 변형에서 사용할 수 있도록 선택되고 기술되었다. 본 발명의 범위는 본 명세서에 첨부된 청구항 및 그들의 등가물에 의해 정의되는 것으로 의도된다.

Claims

전계 효과 트랜지스터로서,
소스 전극;
드레인 전극;
게이트 전극;
상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극과 전기적으로 접촉하며, 정렬된 반도체성 단일벽 탄소나노튜브(s-SWCNT)를 포함하는 막을 포함하는 전도성 채널; 및
상기 게이트 전극 및 상기 전도성 채널 사이에 배치된 게이트 유전체를 포함하고,
상기 전계 효과 트랜지스터는 400 nm 내지 9 μm 범위의 채널 길이, 5 μS μm^-1 이상의 폭(width) 당 온-전도도(on-conductance), 및 1x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율(on/off ratio)을 갖는, 전계 효과 트랜지스터.
제1항에 있어서,
7 μS μm^-1 초과의 폭 당 온-전도도 및 1.5x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율을 갖는, 전계 효과 트랜지스터.
제1항에 있어서,
10 μS μm^-1 초과의 폭 당 온-전도도 및 2x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율을 갖는, 전계 효과 트랜지스터.
제1항에 있어서,
상기 막 내의 반도체성 단일벽 탄소나노튜브(s-SWCNT) 선형 패킹 밀도(linear packing density)가 50 단일벽 탄소나노튜브/μm 이상이고, 상기 막이 순도 수준이 99% 이상인 반도체성 단일벽 탄소나노튜브를 갖고, 상기 전계 효과 트랜지스터는 400 nm 내지 4 μm 범위의 채널 길이를 갖고, 상기 전계 효과 트랜지스터는 10 μS μm^-1 초과의 폭 당 온-전도도 및 2x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율을 갖는, 전계 효과 트랜지스터.
제1항에 있어서,
상기 막 내의 반도체성 단일벽 탄소나노튜브 선형 패킹 밀도가 50 단일벽 탄소나노튜브/μm 이상이고, 상기 막이 순도 수준이 99% 이상인 반도체성 단일벽 탄소나노튜브를 갖는, 전계 효과 트랜지스터.
전계 효과 트랜지스터로서,
소스 전극;
드레인 전극;
게이트 전극;
상기 소스 전극 및 상기 드레인 전극과 전기적으로 접촉하며, 정렬된 반도체성 단일벽 탄소나노튜브(s-SWCNT)를 포함하는 막을 포함하는 전도성 채널; 및
상기 게이트 전극 및 상기 전도성 채널 사이에 배치된 게이트 유전체를 포함하고,
상기 전계 효과 트랜지스터는 5 μS μm^-1 이상의 폭(width) 당 온-전도도(on-conductance), 및 1x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율(on/off ratio)을 갖는, 전계 효과 트랜지스터.
제6항에 있어서,
10 μS μm^-1 초과의 폭 당 온-전도도 및 2x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율을 갖는, 전계 효과 트랜지스터.
제6항에 있어서,
7 μS μm^-1 초과의 폭 당 온-전도도 및 1.5x10⁵ 이상의 폭 당 온/오프 비율을 갖는, 전계 효과 트랜지스터.
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기판상에 정렬된 반도체성 단일벽 탄소나노튜브(s-SWCNT)의 막을 형성하는 방법으로서,
(a) 유기 용매 중에 분산된, 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 반도체성 단일벽 탄소나노튜브(semiconductor-selective-polymer-wrapped s-SWCNT)를 포함한 액체 용액을 소수성 기판의 표면에 걸쳐서 확산(spreading)시키는 단계로서, 상기 액체 용액 중에서의 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 반도체성 단일벽 탄소나노튜브의 농도는 1 μg/ml 내지 50 μg/ml의 범위인 단계; 및
(b) 상기 액체 용액으로부터 상기 소수성 기판을 회수하는(withdrawing) 단계로서, 상기 액체 용액으로부터의 상기 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 반도체성 단일벽 탄소나노튜브는 정렬된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 반도체성 단일벽 탄소나노튜브의 막으로서 상기 소수성 기판상에 퇴적되는 단계를 포함하며,
상기 소수성 기판은 상기 액체 용액으로부터 회수되며, 상기 정렬된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 반도체성 단일벽 탄소나노튜브의 막은 1 mm/분 이상의 속도로 형성되며, 상기 정렬된 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 반도체성 단일벽 탄소나노튜브의 막은 또한 35 반도체성 단일벽 탄소나노튜브/μm 이상의 반도체성 단일벽 탄소나노튜브 선형 패킹 밀도(linear packing density)를 갖는, 기판상에 정렬된 반도체성 단일벽 탄소나노튜브의 막을 형성하는 방법.
제11항에 있어서,
상기 액체 용액에서의 상기 반도체 선택성 폴리머로 감싸여진 반도체성 단일벽 탄소나노튜브의 농도는 1 μg/ml 내지 10 μg/ml의 범위인, 기판상에 정렬된 반도체성 단일벽 탄소나노튜브의 막을 형성하는 방법.
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