KR20110049568A - Diode comprising nitrogen-doped carbon nanotubes - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: A diode with nitrogen-doped carbon nano tubes is provided to make the structure of a carbon nano tube facing a diode in a pentagon carbon ring, thereby enhancing the current-voltage features of the diode. CONSTITUTION: A diode comprises first and second carbon nano tubes. One-ends of the first and second carbon nano tubes are caped. At least one nitrogen element is doped in the caped part. A carbon nano tube is a metallic carbon nano tube. The carbon nano tube has an arm chair structure or a zigzag type.

Description

질소 원자가 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 다이오드{Diode comprising Nitrogen-doped carbon nanotubes}Diodes containing carbon nanotubes doped with nitrogen atoms {Diode comprising Nitrogen-doped carbon nanotubes}

본 발명은 질소 원자가 도핑된 탄소나노튜브를 포함하는 다이오드에 관한 것이다.The present invention relates to a diode comprising a carbon nanotube doped with nitrogen atoms.

지난 반세기에 걸쳐 전자 산업에서 주력기술의 위치를 점하고 있는 실리콘 기반의 반도체 기술은 정보처리량의 급격한 증가, 전자소자의 고성능화 및 고집적화 요구로 인해 기술의 한계점에 근접해 가고 있다. 실리콘 기반의 반도체 제품의 집적도가 3년마다 4배씩 증가한다는 무어의 법칙에 의하면, 향후 10년 이내에 최소 선폭이 10 nm 이하인 소자기술이 요구될 것으로 전망된다.Silicon-based semiconductor technology, which has been the main technology in the electronics industry for the last half century, is approaching the limitation of technology due to the rapid increase in information throughput, high performance and high integration of electronic devices. According to Moore's law that the density of silicon-based semiconductor products will increase four times every three years, device technology with a minimum line width of 10 nm or less is expected within the next 10 years.

반도체 기술에서 선폭의 미세화는 전통적인 제조공정기술, 소자특성 및 신뢰성 등 전 분야에 걸쳐서 기술적인 한계를 초래할 것으로 예상된다. 예를 들면, 제조공정기술은 광리소그래피(Photo-lithograpy) 공정이 대표적인 한계기술로 현재 반도체 공정에 적용되는 광원은 집적화 증가에 의해 요구되는 정도의 미세화 패턴 을 제공할 수 없다. 보다 작은 파장의 광원으로는 전자빔 또는 X-선 등이 연구되고 있으나, 이는 고가의 기술 및 장비의 적용과 생산성 저하가 불가피하다. 이와 같은 기술의 한계점에 대한 위기는 소자특성 및 신뢰성 분야에서 더욱 심각하다. 반도체 회로는 트랜지스터와 트랜지스터를 연결하는 금속배선으로 이루어지는데, 전통적인 구조의 실리콘 트랜지스터는 양자역학적 터널 현상에 의한 누설 전류와 동작 시에 발생하는 열이 집적화를 제한하는 기술적 요인이다. 금속배선에서도 선폭의 미세화로부터 기인되는 전류 밀도의 증가는 기존의 금속 물질(ex. Al 또는 Cu)의 허용 범위를 초과하고 있다.The miniaturization of line width in semiconductor technology is expected to bring technical limitations in all areas such as traditional manufacturing process technology, device characteristics and reliability. For example, the manufacturing process technology is a photolithography (Photo-lithograpy) process is a typical limitation technology, the light source currently applied to the semiconductor process can not provide the degree of miniaturization pattern required by the increased integration. As a light source having a smaller wavelength, an electron beam or X-ray, etc. has been studied, but it is inevitable to apply expensive technologies and equipments and reduce productivity. The crisis of the limitations of such technology is more serious in the field of device characteristics and reliability. Semiconductor circuits consist of transistors and metal interconnects connecting transistors. In conventional silicon transistors, leakage current caused by quantum mechanical tunneling and heat generated during operation are technical factors that limit integration. Even in metal wiring, the increase in current density resulting from the miniaturization of the line width exceeds the allowable range of existing metal materials (eg Al or Cu).

이와 같은 기술의 한계를 극복하기 위한 대안으로 주목받고 있는 것이 탄소나노튜브와 같은 저차원 탄소 동소체를 기반으로 한 전자 소자이다. 탄소나노튜브는 극미세 구조에서 양질의 반도체 또는 금속의 성질을 나타낼 수 있고, 부분적 또는 전체적인 자기 조립(self assembly) 공정을 통해 광리소그래피의 한계로부터 자유로울 수 있다. 또한, 탄소나노튜브는, 기존 실리콘 기반의 트랜지스터보다 잠재적으로 10배 이상 큰 전자 이동도를 보이므로 전력 소모와 동작 시 발생하는 집적회로의 발열을 줄일 수 있고, 금속 배선으로 적용할 시 구리배선에 비해 1,000배 이상의 전류밀도를 허용할 수 있다.As an alternative for overcoming the limitations of such technology, electronic devices based on low-dimensional carbon allotrope such as carbon nanotubes are attracting attention. Carbon nanotubes can exhibit high quality semiconductor or metal properties in ultra-fine structures and can be free from the limitations of photolithography through partial or total self assembly processes. In addition, carbon nanotubes have potentials of 10 times greater electron mobility than conventional silicon-based transistors, thus reducing power consumption and heat generation in integrated circuits. A current density of more than 1,000 times can be tolerated.

이와 같이, 탄소나노튜브는 기존의 반도체 또는 금속 소재에 비해 우수한 물리적 성질을 나타내며, 미세화에 기인하는 기존 소재의 기술적 한계를 극복할 가능성이 높기 때문에, 기존 기술의 대안으로 주목을 받고 있다.As such, carbon nanotubes have excellent physical properties compared to conventional semiconductor or metal materials, and are highly attracted attention as an alternative to the existing technologies because they are likely to overcome the technical limitations of existing materials due to miniaturization.

본 발명은 질소 원자가 도핑되어 있는 탄소나노튜브를 포함하는 다이오드를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a diode comprising a carbon nanotube doped with nitrogen atoms.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위한 수단으로서, 적어도 일말단이 캡핑되어 있고, 상기 캡핑부에 하나 이상의 질소 원자가 도핑되어 있는 제 1 및 제 2 탄소나노튜브를 포함하며, The present invention as a means for solving the above problems, at least one end is capped, and includes a first and second carbon nanotubes doped with one or more nitrogen atoms in the capping portion,

상기 제 1 및 제 2 탄소나노튜브는 각각의 캡핑부가 서로 대향된 상태로 배치되어 있는 다이오드를 제공한다.The first and second carbon nanotubes provide diodes in which respective capping portions are disposed to face each other.

본 발명에 따른 다이오드에서는, 탄소나노튜브에 도핑된 질소 원자가 페르미 준위(Fermi level) 부근에 새로운 에너지 준위를 생성시킨다. 본 발명의 다이오드에서 질소 원자에 의해 생성된 에너지 준위는 전도 채널(conducting channel)로 작용한다. 이에 따라, 본 발명의 다이오드의 대향 배치된 탄소나노튜브 사이에서는 터널링 전류(tunneling current) 및 NDR(Negative Differential resistance) 거동이 나타날 수 있다.In the diode according to the present invention, nitrogen atoms doped in carbon nanotubes generate new energy levels near the Fermi level. The energy level produced by the nitrogen atoms in the diode of the invention acts as a conducting channel. Accordingly, tunneling current and negative differential resistance (NDR) behavior may appear between the carbon nanotubes disposed opposite to each other of the diode of the present invention.

본 발명은, 적어도 일 말단이 캡핑되어 있고, 상기 캡핑부에 하나 이상의 질소 원자가 도핑되어 있는 제 1 및 제 2 탄소나노튜브를 포함하며, The present invention includes at least one end capped and the first and second carbon nanotubes doped with one or more nitrogen atoms in the capping portion,

상기 제 1 및 제 2 탄소나노튜브는 각각의 캡핑부가 서로 대향된 상태로 배치되어 있는 다이오드에 관한 것이다.The first and second carbon nanotubes relate to diodes in which respective capping portions are disposed to face each other.

이하, 본 발명의 다이오드를 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, the diode of the present invention will be described in more detail.

본 발명의 다이오드에는, 각각의 캡핑 부위에 하나 이상의 질소 원자가 도핑되어 있는 두 개의 캡핑된 탄소나노튜브(capped carbonnanotube)가 서로 대향 배치된 상태로 포함되어 있다. 본 발명의 다이오드에서, 도핑된 질소 원자는, 탄소나노튜브의 분자 궤도(MO; Molecular Obital)에 영향을 준다. 이에 따라, 대향 배치된 두 개의 탄소나노튜브의 사이에서 터널링 전류(tunneling currnet) 및 NDR(Negative Differential resistance) 거동이 나타난다. 이에 따라, 본 발명의 다이오드는, 예를 들면, 에자키(Esaki) 다이오드(또는 tunneling diode)의 거동을 나타낼 수 있다. In the diode of the present invention, two capped carbon nanotubes, each of which is doped with one or more nitrogen atoms in each capping portion, are disposed to face each other. In the diode of the present invention, the doped nitrogen atom affects the molecular orbital (MO) of the carbon nanotubes. As a result, tunneling currnet and NDR (Negative Differential Resistance) behaviors appear between the two carbon nanotubes arranged oppositely. Accordingly, the diode of the present invention may exhibit, for example, the behavior of an Esaki diode (or tunneling diode).

본 발명에서는 특히 캡핑부에 도핑되는 질소 원자의 개수 및 도핑 위치의 제어를 통하여, 다이오드가, 필요에 따라서, 싱글 스위칭(single switching) 전류-전압 특성 또는 멀티 스위칭(multi switching) 전류-전압 특성을 나타내도록, 그 특성을 제어할 수 있다. 본 발명에서 사용하는 용어 「싱글 스위칭 전류-전압 특성」은, 예를 들면, 첨부된 도 7에 나타난 바와 같이, 다이오드의 전류-전압 곡선(I- V curve)에서, 인가된 전압에 따라 하나의 NDR 피크가 나타나는 경우를 의미하며, 「멀티 스위칭 전류-전압 특성」은, 예를 들면, 첨부된 도 11 또는 12에 나타난 바와 같이, 다이오드의 전류-전압 곡선(I-V curve)에서, 인가된 전압에 따라 두 개 이상의 NDR 피크가 나타나는 경우를 의미한다. 본 발명에서, 상기 특성을 나타내는 다이오드는, 각각 싱글 스위칭 다이오드 또는 멀티 스위칭 다이오드로 호칭될 수 있다.In the present invention, in particular, through the control of the number of nitrogen atoms doped and the doping position of the capping portion, the diode can, if necessary, provide a single switching current-voltage characteristic or a multi switching current-voltage characteristic. The characteristics can be controlled to show. The term "single switching current-voltage characteristic" used in the present invention, for example, as shown in the accompanying Figure 7, in the current-voltage curve (I-V curve) of the diode, according to the applied voltage It refers to the case where the NDR peak appears, and "multi-switching current-voltage characteristic" refers to the applied voltage in the diode's current-voltage curve IV curve, for example, as shown in FIG. 11 or 12. This means that more than one NDR peak appears. In the present invention, the diodes exhibiting the above characteristics may be referred to as single switching diodes or multi switching diodes, respectively.

본 발명에서 서로 대향되어 있는 상태로 포함되어 있는 상기 제 1 및 제 2 탄소나노튜브가 금속성 탄소나노튜브(metallic CNT)인 것이 바람직하다. 탄소나노튜브는, 첨부된 도 1에 나타난 바와 같이, 흑연 시트(graphite sheet)가 나노 크기의 직경으로 둥글게 말려 있는 구조를 가진다. 이와 같은 탄소나노튜브는 흑연시트가 말려 있는 겹수에 따라서 단일벽 탄소나노튜브(SWCNT: Single-walled CNT), 이중벽 탄소나노튜브(DWCNT: Double-walled CNT) 및 다중벽 탄소나노튜브(MWCNT: Multi-walled CNT)로 분류될 수 있고, 말린 각도에 따라서는 암체어(armchair), 지그재그(zigzag) 및 키랄(chiral) 구조로 분류될 수 있다. 탄소나노튜브는 높은 비대칭성을 가지는 2가지 구조, 구체적으로 암체어 구조(도 2의 (a)) 및 지그재그 구조(도 2의 (b))가 가능하다. 이와 같은 탄소나노튜브의 구조는 흑연시트에서 흑연 격자상의 두 점을 연결하는 키랄 벡터(C h )로 표시될 수 있다. 도 3에 나타난 바와 같이, 키랄 벡터에서는 임의의 원점(O)을 벡터의 시작점으로 잡고, 둥글게 말렸을 경우 원점과 접하게 되는 지점을 벡터의 종점(A)으로 표시할 수 있다. 한편, 탄소 나노튜브를 키랄 벡터 지수(m, n)으로 표시하면, 그 직경과 키랄각(chiral angle)은 하기 수학식 1 및 2와 같이 표시될 수 있다.In the present invention, it is preferable that the first and second carbon nanotubes included in opposing states are metallic CNTs. Carbon nanotubes, as shown in the accompanying Figure 1, the graphite sheet (graphite sheet) has a structure that is rounded to a nano size diameter. Such carbon nanotubes are single-walled carbon nanotubes (SWCNT), double-walled carbon nanotubes (DWCNT: double-walled CNT) and multi-walled carbon nanotubes (MWCNT: Multi) depending on the number of layers of graphite sheets rolled up. -walled CNTs, and may be classified into armchair, zigzag, and chiral structures depending on the curl angle. Carbon nanotubes have two structures having high asymmetry, specifically, an armchair structure (FIG. 2A) and a zigzag structure (FIG. 2B). Such a structure of carbon nanotubes may be represented by a chiral vector (C h ) connecting two points on the graphite lattice in the graphite sheet. As shown in FIG. 3, in the chiral vector, an arbitrary origin O may be taken as a starting point of the vector, and a point that comes into contact with the origin when it is curled may be represented as an end point A of the vector. Meanwhile, when the carbon nanotubes are represented by chiral vector indices (m, n), their diameters and chiral angles may be represented by Equations 1 and 2 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112009068178418-PAT00001
Figure 112009068178418-PAT00001

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112009068178418-PAT00002
Figure 112009068178418-PAT00002

상기 수학식 1에서 a c-c 는 탄소나노튜브에서의 탄소와 탄소 사이의 결합 거리를 나타낸다. 통상적으로 흑연에서 탄소와 탄소 사이의 결합 거리는 약 1.421 Å이고, C60 풀러렌에서는 약 1.44 Å이며, 탄소나노튜브에서는 약 1.4 Å 정도이나, 이 값은 나노튜브의 직경 등에 따라서 상이할 수 있다.In Formula 1, a cc represents a bond distance between carbon and carbon in the carbon nanotube. Typically, the bond distance between carbon and carbon in graphite is about 1.421 kPa, about 1.44 kPa in C 60 fullerene, and about 1.4 kPa in carbon nanotubes, but this value may vary depending on the diameter of the nanotube.

상기에서 키랄각은 단위 벡터 a 1과 키랄 벡터(C h = na 1+ma 2) 사이의 각이며, 이는 탄소나노튜브의 키랄성(chrality)를 나타낸다. 구체적으로, 키랄 벡터 지수가 (n, 0)인 경우, 나노튜브의 키랄각은 0°이며, 이러한 튜브를 지그재그(zigzag) 구조로 정의한다. 한편, 키랄 벡터 지수가 (n, n)일 경우, 키랄각은 30°이고, 이는 암체어(armchair) 구조로 정의하고, 상기 지그재그 및 암체어 외의 탄소나노튜브의 구조는 키랄(chiral) 구조로 정의한다. The chiral angle is an angle between the unit vector a 1 and the chiral vector (C h = n a 1 + m a 2 ), which represents the chirality of the carbon nanotubes. Specifically, when the chiral vector index is (n, 0), the chiral angle of the nanotube is 0 °, and this tube is defined as a zigzag structure. On the other hand, when the chiral vector index is (n, n), the chiral angle is 30 °, which is defined as the armchair structure, and the structure of the carbon nanotubes other than the zigzag and the armchair is defined as the chiral structure. .

탄소나노튜브의 전기적 물성은 나노튜브의 직경 및 키랄각에 따라서 달라질 수 있다. 탄소나노튜브의 전자 구조는 전기적으로 2차원적 구조를 가지는 흑연 구조를 기본으로 하고, 나노튜브의 축방향만을 고려한 1차원적 전기 구조를 도입하여 계산할 수 있으며, 구체적으로 키랄 벡터 지수 (n, m)의 값에 따라 금속성을 가지는 탄소나노튜브 및 반도체성을 가지는 탄소나노튜브로 분류할 수 있다. 즉, 키랄 벡터 지수에서, n-m이 3의 배수가 되면 자유전자의 운동이 완전히 자유로워 탄소나노튜브가 금속처럼 반응하고, n-m이 3의 배수가 아니면 반도체처럼 밴드갭(band gap)이 형성되어 전자가 이동하기 위해서는 이를 극복해야 할 만큼의 에너지가 외부에서 공급되어야 한다. The electrical properties of carbon nanotubes may vary depending on the diameter and chiral angle of the nanotubes. The electronic structure of the carbon nanotubes is based on a graphite structure having an electrically two-dimensional structure, and can be calculated by introducing a one-dimensional electrical structure considering only the axial direction of the nanotube, and specifically, a chiral vector index (n, m Can be classified into carbon nanotubes having metallicity and carbon nanotubes having semiconductivity. In other words, in the chiral vector index, when nm is a multiple of 3, the movement of free electrons is completely free, and carbon nanotubes react like metals, and when nm is not a multiple of 3, band gaps are formed like semiconductors. In order to move, energy must be supplied externally to overcome this.

본 발명에서는 상기와 같은 탄소나노튜브의 전기적 물성 중 금속성을 가지는 탄소나노튜브를 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서 반도체성 탄소나노튜브가 적용될 경우, 목적하는 전류-전압(I-V; current-voltage) 특성이 효과적으로 발휘되지 않을 수 있다. 본 발명에서, 탄소나노튜브가 금속성을 가지는 한, 그 구조는 특별히 한정되지 않고, 암체어형 또는 지그재그형 탄소나노튜브를 사용할 수 있다. 구체적으로는, 본 발명에서는 키랄 벡터 지수가 (a, a) 또는 (b, 0)인 탄소나노튜브를 사용할 수 있다.In the present invention, it is preferable to use carbon nanotubes having metallic properties among the electrical properties of the carbon nanotubes as described above. When semiconducting carbon nanotubes are applied in the present invention, the desired current-voltage (I-V) characteristics may not be effectively exhibited. In the present invention, as long as the carbon nanotubes are metallic, the structure is not particularly limited, and armchair-type or zigzag-type carbon nanotubes can be used. Specifically, in the present invention, carbon nanotubes having a chiral vector index of (a, a) or (b, 0) can be used.

또한, 상기 키랄 벡터 지수에서 a 및 b는 하기 일반식 1 및 2의 조건을 만족하는 것이 바람직하다. In addition, in the chiral vector index, a and b preferably satisfy the conditions of the following general formulas (1) and (2).

[일반식 1][Formula 1]

a = 5 내지 16,a = 5 to 16,

[일반식 2][Formula 2]

b = 3 × jb = 3 × j

상기에서 j는 3 내지 10의 정수를 나타낸다. In the above, j represents an integer of 3 to 10.

상기에서, 키랄 벡터 지수가 (a, a)로 표시되는 경우, 탄소나노튜브는 암체어 구조를 가지게 되는데, 이 때 a의 값이 5 미만이면, 탄소나노튜브의 생성 자체가 어려워질 우려가 있고, 16을 초과하면, 탄소나노튜브의 직경이 지나치게 커져, 제조 공정에서 질소의 도핑 효율이 저하될 우려가 있다.In the above, when the chiral vector index is represented by (a, a), the carbon nanotubes have an armchair structure. If the value of a is less than 5, carbon nanotubes may be difficult to produce. If it exceeds 16, the diameter of the carbon nanotubes is too large, there is a fear that the doping efficiency of nitrogen in the manufacturing process is reduced.

한편, 상기에서 키랄 벡터 지수가 (b, 0)으로 표시되는 경우, 탄소나노튜브는 지그재그 구조를 가지게 되는데, 이 때 j의 값이 3 미만이면, 탄소나노튜브 자체의 생성이 어려워질 우려가 있고, 10을 초과하면, 탄소나노튜브의 직경 증가로 인해 질소의 도핑 효율이 저하될 우려가 있다.On the other hand, when the chiral vector index is represented by (b, 0), the carbon nanotubes have a zigzag structure. At this time, if j is less than 3, carbon nanotubes themselves may be difficult to produce. When it exceeds 10, the doping efficiency of nitrogen may decrease due to the increase in the diameter of the carbon nanotubes.

본 발명의 다이오드에 포함되는 상기 제 1 및 제 2 탄소나노튜브는, 각각 적어도 일 말단이 캡핑되어 있다. 본 발명의 일 태양에서, 제 1 및 제 2 탄소나노튜브는 플러렌 반구(fullerene hemisphere)에 의해 캡핑되어 있을 수 있다. 풀러렌은 복수의 탄소 원자로 이루어진 구형 분자로서, 6각형 탄소 고리 및 5각형 탄소 고리로 구성되어 있다. 이와 같은 풀러렌은 60, 70, 74, 76 및 78과 같이 짝수개의 탄소로 이루어져 있으며, 본 발명에서는 탄소나노튜브의 크기에 따라 다양한 크기의 플러렌 반구가 사용될 수 있다. 본 발명에서 탄소나노튜브는 60개의 탄소 원자로 이루어진 플러렌 반구로 캡핑되는 것이 바람직하다. At least one end of each of the first and second carbon nanotubes included in the diode of the present invention is capped. In one aspect of the invention, the first and second carbon nanotubes may be capped by fullerene hemispheres. Fullerene is a spherical molecule composed of a plurality of carbon atoms, and is composed of a hexagonal carbon ring and a pentagonal carbon ring. Such fullerene is composed of an even number of carbons, such as 60, 70, 74, 76 and 78, in the present invention can be used fullerene hemispheres of various sizes depending on the size of the carbon nanotubes. In the present invention, carbon nanotubes are preferably capped with a fullerene hemisphere consisting of 60 carbon atoms.

본 발명에서는 탄소나노튜브의 구조에 따라 다양한 캡핑부 구조가 가능하다. 예를 들어, 본 발명에서 탄소나노튜브가 암체어 구조를 가지며, 그 말단이 C60 플러렌 반구로 캡핑되는 경우, 캡핑부의 최상단에는 5각형 탄소 고리가 위치하게 된다. 또한, 본 발명에서 탄소나노튜브가 지그재그 구조를 가지며, 그 말단이 C60 플러렌 반구로 캡핑되는 경우, 캡핑부의 최상단에는 6각형의 탄소 고리가 위치하게 된다. In the present invention, various capping part structures are possible according to the structure of the carbon nanotubes. For example, in the present invention, when the carbon nanotube has an armchair structure, and the end thereof is capped by a C 60 fullerene hemisphere, a pentagonal carbon ring is positioned at the top of the capping portion. In addition, in the present invention, when the carbon nanotubes have a zigzag structure and their ends are capped with C 60 fullerene hemispheres, hexagonal carbon rings are positioned at the top of the capping portion.

본 발명에서는 상기와 같은 탄소나노튜브의 캡핑부의 구조에 따라 다양한 나노튜브의 배치가 가능하다. 예를 들면, 본 발명의 일 태양에서는 서로 대향 배치되는 제 1 및 제 2 탄소나노튜브 캡핑부의 최상단이 5각형 탄소 고리 구조를 가질 수 있다(pentagon facing). 본 발명의 다른 태양에서는 또한, 서로 대향 배치되는 제 1 및 제 2 탄소나노튜브 캡핑부의 최상단이 6각형 탄소 고리 구조를 가질 수도 있다(hexagon facing). In the present invention, it is possible to arrange a variety of nanotubes according to the structure of the capping portion of the carbon nanotubes as described above. For example, in one aspect of the present invention, the top ends of the first and second carbon nanotube capping portions disposed opposite to each other may have a pentagon facing carbon ring structure. In another aspect of the present invention, the top ends of the first and second carbon nanotube capping portions disposed opposite to each other may also have a hexagonal carbon ring structure (hexagon facing).

본 발명에서는 탄소나노튜브의 대향 배치 구조는, 전술한 구조에 한정되지 않는다. 예를 들면, 본 발명에서는, 대향 배치되는 제 1 및 제 2 탄소나노튜브의 캡핑부가 서로 다른 구조를 가지는 것도 가능하다(ex. pentagon-hexagon facing).In the present invention, the opposite arrangement structure of the carbon nanotubes is not limited to the above-described structure. For example, in the present invention, it is also possible for the capping portions of the first and second carbon nanotubes to be disposed to have different structures (ex. Pentagon-hexagon facing).

본 발명에서는, 특히 서로 대향 배치되는 제 1 및 제 2 탄소나노튜브의 캡핑부 최상단의 구조가 5각형 탄소 고리인 것이 바람직하다(pentagon facing). 이와 같이 대향 배치되는 탄소나노튜브의 구조를 5각형 탄소 고리로 설정함으로써, 얻어지는 다이오드의 전류-전압 특성을 보다 향상시킬 수 있다.In the present invention, it is particularly preferred that the structure of the uppermost capping portion of the first and second carbon nanotubes arranged opposite to each other is a pentagon facing carbon ring. By setting the structure of the oppositely arranged carbon nanotubes to the pentagonal carbon rings in this way, the current-voltage characteristics of the obtained diode can be further improved.

본 발명에서, 상기와 같은 제 1 및 제 2 탄소나노튜브의 캡핑 부위에는 각각 하나 이상의 질소 원자로 도핑되어 있다. 본 발명의 다이오드의 에자키 특성은, 페르미 준위(Fermi level)에 대한 분자에너지 준위의 정렬(molecular energy level alignment) 등의 분자 고유의 속성과 인가된 바이어스 전압에 대한 반응에 기인한다. 즉, 본 발명에서 탄소나노튜브에 도핑된 질소 원자는, 전자 구조, 구체적으로는 구조적 배열 및 전자 수송 특성 등에 영향을 주게 된다. 이에 따라, 대향 배치된 탄소나노튜브에는 새로운 전도 채널(conducting channel)이 형성되게 되고, 이를 통해 NDR 거동 및 터널링 전류의 증가가 유도될 수 있다.In the present invention, each of the capping sites of the first and second carbon nanotubes is doped with one or more nitrogen atoms. The Ezaki characteristics of the diode of the present invention are attributable to molecular intrinsic properties such as molecular energy level alignment with Fermi level and response to applied bias voltage. In other words, the nitrogen atom doped in the carbon nanotube in the present invention, affects the electronic structure, specifically the structural arrangement and electron transport properties. Accordingly, a new conducting channel is formed in the oppositely disposed carbon nanotubes, thereby increasing the NDR behavior and the tunneling current.

본 발명에서 탄소나노튜브에 도핑되는 질소 원자의 양은, 대향 배치된 탄소나노튜브의 사이에서 NDR 거동 및 터널링 전류를 유도할 수 있을 정도의 양이라면 특별히 한정되지 않는다. 다만, 최종적으로 형성된 다이오드의 전류-전압 특성을 고려하여, 질소 원자의 도핑 레벨은 가능한 낮은 것이 바람직하다. 구체적으로, 탄소나노튜브의 캡핑부 최상단에 5각형 탄소 고리가 존재하는 경우, 캡핑부에는 10개 이하, 바람직하게는 5개 이하의 질소 원자가 도핑되어 있을 수 있다. 상기에서, 도핑되는 질소 원자의 위치는, 후술하는 바와 같이, 제 1 및 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 하나 이상, 바람직하게는 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 하나 이상일 수 있다. 상기에서 「제 1 탄소층」 및 「제 2 탄소층」의 구체적인 의미는 후술한다. 또한, 본 발명의 탄소나노튜브에서 캡핑부 최상단에 6각형 탄소 고리가 존재하는 경우, 캡핑부에는 12개 이하, 바람직하게는 6개 이하의 질소 원자가 도핑되어 있을 수 있다. 상기의 경우에도, 질소 원자의 도핑 위치는, 제 1 및 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 하나 이상, 바람직하게는 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 하나 이상일 수 있다. 본 발명에서 질소 원자의 도핑 레벨이 지나치게 증가하면, 최종 다이오드의 에자키 특성이 효과적으로 발휘되지 않을 우려가 있다. In the present invention, the amount of nitrogen atoms doped into the carbon nanotubes is not particularly limited as long as the amount of the nitrogen atoms doped in the carbon nanotubes to induce the NDR behavior and tunneling current between the carbon nanotubes arranged opposite. However, in consideration of the current-voltage characteristics of the finally formed diode, the doping level of the nitrogen atom is preferably as low as possible. Specifically, when a pentagonal carbon ring is present at the top of the capping portion of the carbon nanotubes, the capping portion may be doped with 10 or less, preferably 5 or less nitrogen atoms. In the above, the position of the doped nitrogen atoms may be one or more of the carbon atoms present in the first and second carbon layers, preferably one or more of the carbon atoms present in the second carbon layer, as described below. The specific meaning of a "first carbon layer" and a "second carbon layer" will be described later. In addition, when the hexagonal carbon ring is present at the top of the capping portion in the carbon nanotube of the present invention, the capping portion may be doped with 12 or less, preferably 6 or less nitrogen atoms. Even in this case, the doping position of the nitrogen atom may be at least one of the carbon atoms present in the first and second carbon layers, preferably at least one of the carbon atoms present in the second carbon layer. In the present invention, when the doping level of the nitrogen atom is excessively increased, there is a fear that the Ezaki characteristics of the final diode may not be effectively exhibited.

한편, 본 발명에서 질소 원자의 도핑 위치 역시 특별히 한정되지 않으나, 최종 다이오드의 특성을 고려하여, 도핑 위치가 각각의 탄소나노튜브의 캡핑부 근방인 것이 바람직하다. 구체적으로, 질소 원자의 도핑 위치는, 나노튜브 캡핑부의 최상단 탄소 고리를 기준으로 제 1 내지 제 8 탄소층 중 어느 하나의 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 하나 이상인 것이 바람직하다.On the other hand, the doping position of the nitrogen atom in the present invention is also not particularly limited, but in consideration of the characteristics of the final diode, it is preferable that the doping position is near the capping portion of each carbon nanotube. Specifically, the doping position of the nitrogen atom is preferably at least one of the carbon atoms present in any one of the carbon layers of the first to eighth carbon layers based on the uppermost carbon ring of the nanotube capping portion.

본 발명에서 사용하는 용어 「탄소층」은 다음과 같이 정의한다. 우선 탄소나노튜브의 캡핑부의 최상단에 위치하는 탄소 고리에 포함되는 탄소 원자로 이루어지는 평면을 제 1 탄소층으로 정의한다. 그 후, 탄소나노튜브에서 캡핑부 반대 방향으로, 상기 제 1 탄소층에 존재하는 탄소 원자와 직접 결합하고 있는 탄소 원자들로 이루어지는 가상의 평면을 제 2 탄소층으로 정의한다. 이어서, 동일한 방법으로, 탄소나노튜브의 캡핑부의 반대 방향으로 상기 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자와 직접 결합하고 있는 탄소 원자들로 이루어지는 가상의 평면을 제 3 탄소층, 다시 제 3 탄소층에 속하는 탄소 원자와 캡핑부 반대 방향으로 직접 결합하고 있는 탄소 원자에 의해 형성되는 가상의 평면을 제 4 탄소층으로 정의하고, 동일한 방식으로 제 5, 6, 7, 8 및 9 탄소층을 정의한다. The term "carbon layer" used in the present invention is defined as follows. First, a plane made of carbon atoms included in a carbon ring located at the top of the capping portion of the carbon nanotubes is defined as the first carbon layer. Subsequently, in the opposite direction of the capping portion in the carbon nanotube, an imaginary plane made of carbon atoms directly bonded to carbon atoms present in the first carbon layer is defined as a second carbon layer. Subsequently, in the same manner, an imaginary plane made up of carbon atoms directly bonded to carbon atoms present in the second carbon layer in the opposite direction to the capping portion of the carbon nanotubes is transferred to the third carbon layer and again to the third carbon layer. The hypothetical plane formed by the carbon atoms to which it belongs and carbon atoms directly bonded in the opposite direction to the capping portion is defined as the fourth carbon layer, and the fifth, sixth, seventh, eighth and ninth carbon layers are defined in the same manner.

이와 같은 내용을 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 하기와 같다.Such details will be described below with reference to the accompanying drawings.

첨부된 도 4의 (a)는, 본 발명의 일 태양에 따라, 암체어형 탄소나노튜브가 플러렌(C60) 반구에 의해 캡핑되어 있는 상태를 나타내며, 이 때 캡핑부의 최상단에는 5각형 탄소 고리가 존재한다. 이 경우, 상기 최상단의 5각형 탄소 고리에 존재하는 5개의 탄소 원자(①)는 제 1 탄소층에 속하는 것으로 정의되며, 상기 5개의 탄소 원자와 캡핑부 반대 방향으로 직접 결합되어 있는 5개의 탄소 원자(②)에 의해 형성되는 가상의 평면을 제 2 탄소층으로 정의하고, 다시 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자(②)와 캡핑부 반대 방향으로 직접 결합하고 있는 10개의 탄소 원자(③)로 이루어지는 가상의 평면을 제 3 탄소층으로 정의하며, 동일한 방식으로 제 4 탄소층(④), 제 5 탄소층(⑤) 및 제 6 탄소층(⑥)을 순차적으로 정의한다. 한편, 첨부된 도 4의 (b)는 본 발명의 일 태양에 따라서, 지그재그형 탄소나노튜브가 C60 플러렌 반구에 의해 캡핑되어 있는 형태를 나타내는데, 이 경우에는 캡핑부의 최상단에 6각형의 탄소 고리가 존재한다. 이 경우에도, 탄소층의 정의 방법은 상기 도 4의 (a)의 경우와 같다.4A shows a state in which the armchair-type carbon nanotubes are capped by the fullerene (C 60 ) hemisphere, in which a pentagonal carbon ring is formed at the top of the capping portion. exist. In this case, five carbon atoms (①) present in the uppermost pentagonal carbon ring are defined as belonging to the first carbon layer, and the five carbon atoms are directly bonded in the opposite direction to the capping portion. The imaginary plane formed by (②) is defined as the second carbon layer, and the carbon atom (②) existing in the second carbon layer and ten carbon atoms (③) directly bonded in the opposite directions to the capping part. The virtual plane formed is defined as a third carbon layer, and the fourth carbon layer ④, the fifth carbon layer ⑤, and the sixth carbon layer ⑥ are sequentially defined in the same manner. On the other hand, Figure 4 (b) is attached according to one aspect of the present invention, the zig-zag carbon nanotubes are shown capped by a C 60 fullerene hemisphere, in this case a hexagonal carbon ring at the top of the capping portion Is present. Also in this case, the definition method of a carbon layer is the same as that of the case of FIG.

본 발명에서는, 질소 원자의 도핑 위치가, 상기와 같이 정의되는 탄소층 중 제 1 내지 제 8 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 하나 이상일 수 있다. 본 발명에서는 보다 바람직하게는, 질소 원자의 도핑 위치가 제 1 및 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 하나 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 하나 이상일 수 있다. 즉, 본 발명에서 질소 원자의 도핑 위치는, 탄소나노튜브 캡핑부의 최상단에 존재하는 탄소 고리(제 1 탄소층)에 속하는 탄소 원자; 및 상기 탄소 원자와 직접 결합하고 있는 탄소 원자(제 2 탄소층)로 이루어진 군으로부터 선택된 하나 이상의 탄소 원자일 수 있으며, 보다 바람직하게는 탄소나노튜브의 캡핑부 최상단에 존재하는 탄소 고리(제 1 탄소층)에 속하는 탄소 원자와 직접 결합하고 있는 탄소 원자(제 2 탄소층) 중 하나 이상의 탄소 원자일 수 있다.In the present invention, the doping position of the nitrogen atom may be one or more of the carbon atoms present in the first to eighth carbon layers among the carbon layers defined as above. In the present invention, more preferably, the doping position of the nitrogen atom may be at least one of the carbon atoms present in the first and second carbon layers, and more preferably at least one of the carbon atoms present in the second carbon layer. . That is, in the present invention, the doping position of the nitrogen atom may include: a carbon atom belonging to a carbon ring (first carbon layer) existing at the top of the carbon nanotube capping portion; And it may be one or more carbon atoms selected from the group consisting of carbon atoms (second carbon layer) directly bonded to the carbon atoms, more preferably a carbon ring (top carbon) present at the top of the capping portion of the carbon nanotubes One or more carbon atoms of the carbon atoms (second carbon layer) directly bonded to the carbon atoms belonging to the layer).

본 발명에서 질소 원자의 도핑 위치가 캡핑부로부터 지나치게 멀어지는 경우, 다이오드의 I-V 특성이 효과적으로 제어되지 못할 우려가 있다.In the present invention, when the doping position of the nitrogen atom is too far from the capping portion, there is a fear that the I-V characteristics of the diode may not be effectively controlled.

그러나, 본 발명에서 탄소나노튜브에 도핑되는 질소 원자의 개수 및 그 도핑 위치는, 목적하는 다이오드의 전류-전압 특성을 고려하여 변화될 수 있다.However, in the present invention, the number of nitrogen atoms doped in the carbon nanotubes and their doping positions may be changed in consideration of the current-voltage characteristics of the desired diode.

예를 들어, 본 발명에서 싱글 스위칭 다이오드를 구현하고자 할 경우, 각각의 탄소나노튜브에는 하나의 질소 원자가 도핑되어 있을 수 있다. 이 때, 상기 질소 원자는, 제 1 및 제 2 탄소나노튜브 각각의 캡핑부, 바람직하게는 각각의 제 1 및 제 2 탄소층에 존재하는 탄소원자, 보다 바람직하게는 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 어느 하나의 탄소 원자에 도핑되어 있을 수 있다. 즉, 본 발명에서 싱글 스위칭 다이오드를 구현하고자 할 경우에는, 도핑되는 질소 원자의 수는 1개일 수 있으며, 그 위치는 제 1 및 제 2 탄소층, 또는 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 어느 하나일 수 있다.For example, to implement a single switching diode in the present invention, each carbon nanotube may be doped with one nitrogen atom. In this case, the nitrogen atom is present in the capping portion of each of the first and second carbon nanotubes, preferably the carbon atoms present in each of the first and second carbon layers, more preferably in the second carbon layer. It may be doped with one of the carbon atoms. That is, in the present invention, when the single switching diode is to be implemented, the number of nitrogen atoms to be doped may be one, and the position may be any one of the carbon atoms present in the first and second carbon layers or the second carbon layer. It can be one.

본 발명에서 제 1 및 제 2 탄소나노튜브에 각각 하나의 질소 원자가 도핑되어 있는 경우, 질소 원자 도핑 위치에 따라서 다양한 배치가 가능하다. 예를 들면, 본 발명에서는 각각에 도핑된 질소 원자가 서로 마주 보는 상태로 제 1 및 제 2 탄소나노튜브가 배치되어 있을 수 있다(eclipsed conformation). 첨부된 도 5의 (a) 및 (b)는 각각 캡핑부의 최상단에 5각형 및 6각형 탄소 고리가 배치된 배열에 있어서, 도핑된 하나의 질소 원자가 서로 마주보는 상태로 배치된 상태를 나타낸다.In the present invention, when one nitrogen atom is doped in each of the first and second carbon nanotubes, various arrangements are possible according to the nitrogen atom doping position. For example, in the present invention, the first and second carbon nanotubes may be disposed with each of the doped nitrogen atoms facing each other (eclipsed conformation). 5 (a) and 5 (b), respectively, show a state in which five doped nitrogen atoms are disposed to face each other in an arrangement in which pentagonal and hexagonal carbon rings are arranged at the top of the capping unit.

본 발명의 다른 태양에서는, 서로 대향 배치된 탄소나노튜브에 있어서, 도핑되어 있는 각각의 질소 원자가 서로 소정의 각도를 이루며 배치되어 있을 수 있다. 첨부된 도 6의 (a) 및 (b)는 각각 대향 캡핑부에 5각형 및 6각형 탄소 고리가 형성된 탄소나노튜브에 있어서, 도핑된 질소 원자가 서로에 대하여 180°의 각을 이루면 배치되어 있는 상태를 나타낸다. 본 발명에서는 전술한 배치 외에도 다양한 질소 원자의 배치가 가능하며, 그 구체적인 배치 형태는 특별히 한정되지 않는다.In another aspect of the present invention, in the carbon nanotubes arranged opposite to each other, each of the nitrogen atoms doped may be arranged at a predetermined angle to each other. 6 (a) and 6 (b) are attached to carbon nanotubes in which pentagonal and hexagonal carbon rings are formed at opposite capping portions, respectively, when the doped nitrogen atoms form an angle of 180 ° with respect to each other. Indicates. In the present invention, in addition to the above-described arrangement, various nitrogen atoms may be arranged, and the specific arrangement form thereof is not particularly limited.

한편, 본 발명에서 멀티 스위칭 다이오드를 구현하고자 할 경우, 탄소나노튜브에는, 2개 이상, 바람직하게는 2개, 3개 또는 4개, 보다 바람직하게는 3개 또는 4개의 질소 원자가 도핑되어 있을 수 있다. 이 경우, 상기 질소 원자는, 제 1 및 제 2 탄소나노튜브 각각의 캡핑부, 바람직하게는 제 2 내지 제 5 탄소층, 보다 바람직하게는 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 2개 이상, 바람직하게는 2개, 3개 또는 4개의 탄소 원자, 보다 바람직하게는 2개 또는 3개의 탄소 원자에 도핑되어 있을 수 있다. 즉, 본 발명에서 멀티 스위칭 다이오드를 구현하고자 할 경우에는, 도핑되는 질소 원자의 수는 2개 이상, 바람직하게는 2개, 3개 또는 4개, 보다 바람직하게는 3개 또는 4개일 수 있으며, 그 위치는 제 2 및 제 5 탄소층, 또는 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중에서 선택될 수 있다. 본 발명에서는 특히 각각 의 탄소나노튜브의 캡핑부의 제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자 중 3개 또는 4개의 탄소 원자에 질소 원자를 도핑함으로써, 보다 효과적으로 멀티 스위칭 특성을 구현할 수 있다.On the other hand, when implementing the multi-switching diode in the present invention, the carbon nanotube, two or more, preferably two, three or four, more preferably three or four nitrogen atoms may be doped. have. In this case, the nitrogen atom is at least two of the carbon atoms present in the capping portion of each of the first and second carbon nanotubes, preferably the second to fifth carbon layers, more preferably the second carbon layer, It may preferably be doped with two, three or four carbon atoms, more preferably two or three carbon atoms. That is, when the present invention intends to implement a multi-switching diode, the number of nitrogen atoms doped may be two or more, preferably two, three or four, more preferably three or four, The position may be selected from the second and fifth carbon layers, or carbon atoms present in the second carbon layer. In the present invention, in particular, by doping nitrogen atoms to three or four carbon atoms of the carbon atoms present in the second carbon layer of the capping portion of each carbon nanotube, it is possible to implement the multi-switching characteristics more effectively.

본 발명에서 다이오드의 멀티 스위칭 특성을 보다 효과적으로 구현하기 위해서는, 동일 탄소층에 도핑되는 질소 원자는 서로 인접하여 배치되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 사용하는 용어 「서로 인접하여 배치된 질소 원자」는 특정 탄소층에 속하는 어느 하나의 탄소 원자에 질소 원자가 도핑되었을 경우, 동일 탄소층에서 상기 질소 원자가 도핑된 탄소 원자의 바로 옆에 위치하는 탄소 원자에 또 다른 질소 원자가 도핑된 경우를 의미한다. 예를 들어, 첨부된 도 9는, 각각 세 개의 질소 원자가 도핑되어 있는 제 1 및 제 2 탄소나노튜브가 서로 대향된 상태로 배치된 다이오드를 측면에서 바라본 상태를 나타내며, 도 10은, 상기 도 9의 다이오드를 탄소나노튜브의 축 방향에서 바라본 경우를 나타낸다. 또한, 도 10에서, (a)는, 제 2 탄소층에 도핑된 세 개의 질소 원자가 모두 인접하여 배치된 경우를 나타내며, (b)는, 질소 원자가 인접하지 않은 상태, 즉 분리된 상태로 배치된 경우를 나타낸다.In order to more effectively implement the multi-switching characteristics of the diode in the present invention, the nitrogen atoms doped in the same carbon layer is preferably disposed adjacent to each other. The term "nitrogen atoms disposed adjacent to each other" used in the present invention means that when a nitrogen atom is doped to any one carbon atom belonging to a specific carbon layer, the nitrogen atom is located next to the carbon atom doped in the same carbon layer. It means the case where another nitrogen atom is doped by a carbon atom. For example, FIG. 9 shows a side view of a diode in which first and second carbon nanotubes each doped with three nitrogen atoms are disposed to face each other, and FIG. The diode is viewed from the axial direction of the carbon nanotubes. In addition, in FIG. 10, (a) shows the case where all three nitrogen atoms doped in the 2nd carbon layer are arrange | positioned adjacently, (b) is a state where nitrogen atoms are not adjacent, ie, it is arrange | positioned in the separated state. The case is shown.

본 발명에서 탄소나노튜브에, 세 개 이상의 질소 원자가 도핑되는 경우, 도 10(a)에 나타난 바와 같이, 도핑된 질소 원자는 모두 인접하여 배치되는 것이 바람직하다. 본 발명에서 상기와 같이, 질소 원자가 서로 인접한 상태로 배치됨으로써, 다이오드가 보다 효과적으로 멀티 스위칭 특성을 나타낼 수 있다.In the present invention, when three or more nitrogen atoms are doped into the carbon nanotubes, as shown in FIG. 10 (a), all of the doped nitrogen atoms are preferably disposed adjacent to each other. As described above, in the present invention, since the nitrogen atoms are disposed adjacent to each other, the diode can more effectively exhibit the multi-switching characteristic.

본 발명에서 대향 배치된 제 1 및 제 2 탄소나노튜브 사이의 거리(ex. 도 5 및 6의 d), 구체적으로는 캡핑부의 최상단에 존재하는 탄소 고리간의 거리가 1.0 Å 내지 5.0 Å, 바람직하게는 약 2.0 Å 내지 4.0 Å, 보다 바람직하게는 약 3.0 Å일 수 있다. 제 1 및 제 2 탄소나노튜브간의 거리가 전술한 범위를 벗어나게 되면, 다이오드의 전류-전압 특성이 효과적으로 구현되지 않을 우려가 있다.In the present invention, the distance between the first and the second carbon nanotubes disposed opposite (ex. D of FIGS. 5 and 6), specifically, the distance between the carbon rings at the top of the capping portion is 1.0 kPa to 5.0 kPa, preferably May be about 2.0 kPa to 4.0 kPa, more preferably about 3.0 kPa. If the distance between the first and the second carbon nanotubes is outside the above range, there is a fear that the current-voltage characteristics of the diode may not be effectively implemented.

본 발명에서, 상기 다이오드를 제조하는 방법은 특별히 한정되지 않는다.In the present invention, the method of manufacturing the diode is not particularly limited.

본 발명에서는 예를 들면, 기존에 공지되어 있는 다양한 기법을 적용하여, 질소 원자가 도핑되고, 적어도 일 말단이 캡핑되어 있는 두 개의 탄소나노튜브를 제조한 후, 이를 서로 대향되도록 배치함으로써 다이오드를 제조할 수 있다. In the present invention, for example, by using a variety of techniques known in the art, by producing two carbon nanotubes doped with a nitrogen atom, at least one end is capped, and then disposed to face each other to produce a diode Can be.

현재까지 탄소나노튜브를 성장시키는 방법은 다양하게 개발되어 있으며, 본 발명에서는 이와 같은 방법들을 모두 사용할 수 있다. 탄소나노튜브를 제조하는 방법의 대표적인 예에는, 아크 방전법(Arc discharge method), 레이저 어블레이션법(laser ablation method), 화학기상증착법(CVD; Chemical Vapor Deposition), 열분해법(Pyroysis of Hydrocarbon) 또는 HiPCO(The High Pressure Carbon Monoxide Process) 등이 있다.Until now, a variety of methods for growing carbon nanotubes have been developed, and in the present invention, all of these methods can be used. Representative examples of the method for producing carbon nanotubes include the arc discharge method, laser ablation method, chemical vapor deposition (CVD), pyrolysis of Hydrocarbon or HiPCO (The High Pressure Carbon Monoxide Process).

본 발명에서 질소 원자로 도핑된 탄소나노튜브를 제조하기 위해서는 크게 두 가지 접근법이 가능하다. 첫 번째 접근법은 탄소나노튜브의 합성 과정에서 직접 질소를 도핑하는 방법이고, 두 번째 접근법은 일단 탄소나노튜브를 합성한 다음, 후처리를 거쳐 질소 원자를 도입하는 방법이다.In the present invention, two approaches are possible to prepare carbon nanotubes doped with nitrogen atoms. The first approach is to dope nitrogen directly during the synthesis of carbon nanotubes, and the second approach is to synthesize carbon nanotubes and then process them to introduce nitrogen atoms.

보다 구체적으로, 본 발명의 일 태양에서는 고온합성법(High Temperature Synthesis method)를 통하여, 하나 이상의 질소 원자가 도핑되고, 적어도 일 말단이 캡핑되어 있는 탄소나노튜브를 제조할 수 있다.More specifically, in one aspect of the present invention, one or more nitrogen atoms are doped and at least one end is capped by a high temperature synthesis method to produce carbon nanotubes.

고온 합성법의 예로는, 아크 방전법 또는 레이저 어블레이션법 등을 들 수 있으며, 이 방법에서는 고온에서 탄소원(carbon source, 통상적으로 graphite)을 증발시킨 후, 탄소나노튜브를 성장시킨다. 예를 들어, 아크 방전법을 사용할 경우, 예를 들면 촉매의 존재 하의 헬륨 가스 분위기 하에서, 탄소원(ex. 흑연 막대(graphite rod))을 아크(electric-arc)를 사용하여 증발시키는 과정을 거쳐 탄소나노튜브를 제조할 수 있다. 이 방법에서는, 예를 들면, 아크 방전 장치 내의 분위기를 질소-헬륨 분위기로 제어한 상태에서, 흑연 막대를 포함하는 촉매를 증발시킴으로써, 질소 원자가 도핑된 탄소나노튜브의 제조가 가능하다(ex. R. Droppa, Jr., et al., J. Non-Crystalline Solids 299, 874(2002)). 또한, 헬륨 분위기에서 질소 함유 전구체를 포함하는 복합 전극(anode)을 사용하는 방식으로도 질소 원자가 도핑된 탄소나노튜브의 합성이 가능하다(M. Glerup, J., et al., Chem. Phys. Lett. 387, 193(2004)).Examples of the high temperature synthesis method include an arc discharge method or a laser ablation method. In this method, carbon nanotubes are grown after evaporating a carbon source (usually graphite) at a high temperature. For example, in the case of using the arc discharge method, the carbon source (e.g. graphite rod) is evaporated using an arc (electric-arc), for example, under a helium gas atmosphere in the presence of a catalyst. Nanotubes can be prepared. In this method, for example, carbon nanotubes doped with nitrogen atoms can be produced by evaporating a catalyst including a graphite rod while the atmosphere in the arc discharge device is controlled to a nitrogen-helium atmosphere (ex. R Droppa, Jr., et al., J. Non-Crystalline Solids 299, 874 (2002)). In addition, the synthesis of carbon nanotubes doped with nitrogen atoms is also possible by using a composite electrode (anode) containing a nitrogen-containing precursor in a helium atmosphere (M. Glerup, J., et al., Chem. Phys. Lett . 387, 193 (2004).

레이저 어블레이션법을 사용할 경우, 펄스 레이저(pulsed laser)를 사용하여, 흑연 타켓을 포함하는 촉매를 어블레이션시키고, 기화 생성물(vaporization product)을 질소와 같은 가스로 신속하게 제거하는 과정을 거쳐 질소 원자가 도핑된 탄소나노튜브를 합성할 수 있다.In the case of laser ablation, a pulsed laser is used to ablate the catalyst including the graphite target, and to rapidly remove the vaporization product with a gas such as nitrogen. Doped carbon nanotubes can be synthesized.

또한, 화학기상증착법(CVD)과 같은 저온 합성법(Lower Temperature Synthesis method)을 통하여도 질소 원자가 도핑된 탄소나노튜브의 제조가 가능하 며, 이 방법은 특히 질소 원자가 도핑된 다중벽 탄소나노튜브를 제조하는 것에 적합하다. 저온 합성법을 통하여, 질소 도핑 탄소나노튜브를 제조하는 방법은 다양한 문헌(ex. R. Sen, B. C., et al., Chem. Phys. Lett. 287, 671 (1998); M. Glerup, M. Castignolles, et al., Chem. Commun. 20. 2542(2003); M. Terrones, et al., Appl. Phys. Lett. 75, 3932(1999); M. Yudasaka, et al., Carbon 35, 195(1997); C. Tang, et al., Carbon 42, 2625(2004) 등)에 알려져 있다.In addition, it is possible to prepare carbon nanotubes doped with nitrogen atoms through a low temperature synthesis method such as chemical vapor deposition (CVD), and in particular, this method produces multi-walled carbon nanotubes doped with nitrogen atoms. Suitable for doing Through low temperature synthesis, methods for preparing nitrogen doped carbon nanotubes are described in various literatures (ex. R. Sen, BC, et al., Chem. Phys. Lett. 287, 671 (1998); M. Glerup, M. Castignolles). , et al., Chem. Commun. 20. 2542 (2003); M. Terrones, et al., Appl. Phys. Lett. 75, 3932 (1999); M. Yudasaka, et al., Carbon 35, 195 ( 1997); C. Tang, et al., Carbon 42, 2625 (2004), and the like.

본 발명이 속하는 분야에서는, 상기와 같은 방식 외에도, 질소 원자로 도핑된 탄소나노튜브를 제조하는 다양한 방법이 알려져 있다(ex. Bobby G. Sumpter, et al., "Nitrogen-Mediated Carbon Nanotube Growth: Diameter Reduction, Metallicity Bundle Dispersability, and Bamboo-like Structure Formation", ACSNANO, Vol. 1, No. 4, 369-375 (2007); F. Villalpando-Paez, et al., "Synthesis and characterization of long strands of nitrogen-doped single-walled carbon nanotubes", Chem. Phys. Lett. 424, 345-352 (2006); Brett L. Allen, et al., "Synthesis, Characterization, and Manipulation of Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Cups", ACSNANO, Vol. 2, No. 9 (2008) 등).In the field to which the present invention pertains, in addition to the above manner, various methods of preparing carbon nanotubes doped with nitrogen atoms are known (ex. Bobby G. Sumpter, et al., " Nitrogen-Mediated Carbon Nanotube Growth: Diameter Reduction". , Metallicity Bundle Dispersability, and Bamboo-like Structure Formation ", ACSNANO, Vol. 1, No. 4, 369-375 (2007); F. Villalpando-Paez, et al.," Synthesis and characterization of long strands of nitrogen- doped single-walled carbon nanotubes ", Chem. Phys. Lett. 424, 345-352 (2006); Brett L. Allen, et al.," Synthesis, Characterization, and Manipulation of Nitrogen-Doped Carbon Nanotube Cups ", ACSNANO, 2, No. 9 (2008), etc.).

본 발명에서는 상기와 같은 기존의 방법들을 그대로, 또는 목적에 따른 적절한 변경을 가하여, 적용할 수 있다. 본 발명에서는 전술한 각 방법을 적용함에 있어서, 탄소원(carbon soruce)과 함께 사용되는 질소 또는 그 전구체의 양, 생성되는 탄소나노튜브의 반경(radius) 등의 치수 등을 제어함으로써(Nano Lett., 2009, 9, 2009), 탄소나노튜브로의 질소 원자의 도핑량 및 도핑 위치를 제어할 수 있다. In the present invention, the existing methods as described above may be applied as they are or with appropriate modifications according to the purpose. In the present invention, in applying the above-described methods, by controlling the amount of nitrogen or its precursor used with the carbon source (carbon soruce), the dimensions of the resulting carbon nanotubes (radius), etc. (Nano Lett., 2009, 9, 2009), it is possible to control the doping amount and the doping position of nitrogen atoms to the carbon nanotubes.

각종 문헌(ex. ACSNANO, Vol. 1, No. 4, 369-375(2007))에서 기술되어 있는 바와 같이, 질소 원자를 포함하는 탄소나노튜브를 성장시키는 경우, 질소 원자는 탄소나노튜브의 말단에 위치하려고 하면서, 상기 말단에 캡핑을 유도하는 특성이 있다. 따라서, 이와 같은 특성을 이용하여, 탄소나노튜브의 성장 시에 질소의 양을 적절히 제어할 경우, 도핑되는 질소 원자의 양 및 도핑 위치를 제어할 수 있다.As described in various documents (ex. ACSNANO, Vol. 1, No. 4, 369-375 (2007)), when growing a carbon nanotube containing a nitrogen atom, the nitrogen atom is the end of the carbon nanotube While trying to be located at, there is a property to induce capping at the end. Therefore, by using such characteristics, when the amount of nitrogen is properly controlled during the growth of the carbon nanotubes, it is possible to control the amount and the doping position of the nitrogen atoms to be doped.

또한, 본 발명에서 상기와 같이 제조된 탄소나노튜브를 서로 대향 배치시키는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면, 소정의 기판(ex. 금속 표면)에 일정한 패턴을 형성하고, 이를 이용하여 탄소나노튜브를 자가배향시키는 등의 방법 등을 사용할 수 있다(Angew, Chem. Int. Ed. 2002, 41, 353; Science 2003, 300, 112; 또는 Science 2001, 291, 630 등).In addition, the method of disposing the carbon nanotubes prepared as described above in the present invention is not particularly limited. For example, a predetermined pattern is formed on a predetermined substrate (eg, a metal surface), and carbon nanotubes are formed using the same. Or other methods such as self-aligning the tube (Angew, Chem. Int. Ed. 2002, 41, 353; Science 2003, 300, 112; or Science 2001, 291, 630, etc.).

이하, 본 발명에 따른 실시예를 통하여 본 발명을 보다 상세히 설명하나, 본 발명의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through examples according to the present invention, but the scope of the present invention is not limited to the following examples.

실시예. 1 내지 10Example. 1 to 10

일말단이 플러렌 반구에 의해 캡핑되어 있고, 다른 말단은 수소원자에 의하여 부동화(passivationg)되어 있는, 질소 원자 도핑 금속성 탄소나노튜브에 대하여, 후술하는 바와 같이, 그 전류-전압 특성 등을 평가하였다. 이 경우, 탄소나노튜브의 제조는 문헌(Bobby G. Sumpter, et al., "Nitrogen-Mediated Carbon Nanotube Growth: Diameter Reduction, Metallicity Bundle Dispersability, and Bamboo-like Structure Formation", ACSNANO, Vol. 1, No. 4, 369-375 (2007))에 개시된 방법을 적절히 변형 채용하되, 질소 원자의 공급량을 가능한 줄임으로써 가능하다. 또한, 제조된 탄소나노튜브의 대향 배치는 기판에 일정한 패턴을 형성하고, 이를 이용하여 탄소나노튜브를 자가배향시키는 등의 방법 등으로 가능하다(Angew, Chem. Int. Ed. 2002, 41, 353; Science 2003, 300, 112; 또는 Science 2001, 291, 630 등).The nitrogen-doped metallic carbon nanotubes, one end of which was capped by a fullerene hemisphere and the other end of which was passivated by a hydrogen atom, were evaluated as described below for their current-voltage characteristics and the like. In this case, the preparation of carbon nanotubes is described in Bobby G. Sumpter, et al., " Nitrogen-Mediated Carbon Nanotube Growth: Diameter Reduction, Metallicity Bundle Dispersability, and Bamboo-like Structure Formation ", ACSNANO, Vol. 1, No. 4, 369-375 (2007) may be employed by appropriate modification of the method, but by reducing the supply of nitrogen atoms as much as possible. In addition, the opposite arrangement of the manufactured carbon nanotubes may be performed by forming a predetermined pattern on the substrate and using the same to self-align the carbon nanotubes (Angew, Chem. Int. Ed. 2002, 41, 353). Science 2003, 300, 112; or Science 2001, 291, 630, etc.).

시험예 1 및 2의 특성 평가에 사용된 탄소나노튜브의 일종은 키랄 벡터 지수가 (5, 5)인 암체어 구조의 탄소나노튜브이고, 다른 일종은 키랄 벡터 지수가 (9, 0)인 지그재그형 탄소나노튜브였으며, 양자 공히 캡핑부의 최상단의 탄소 고리를 구성하는 탄소 원자와 직접 결합되어 있는 탄소 원자(제 2 탄소층에 존재하는 탄소 원자) 중 어느 하나에 한 개의 질소 원자가 도핑된 상태였다. One type of carbon nanotubes used for the evaluation of the properties of Test Examples 1 and 2 was a carbon nanotube having a female chair structure having a chiral vector index of (5, 5), and another type of zigzag type having a chiral vector index of (9, 0). It was a carbon nanotube, and both nitrogen atoms were doped in any one of carbon atoms (carbon atoms present in the second carbon layer) directly bonded to the carbon atoms constituting the uppermost carbon ring of the capping portion.

또한, 시험예 3에서는, 키랄 벡터 지수가 (5, 5)인 암체어 구조의 탄소나노튜브 캡핑부의 제 2 탄소층에 속하는 3개의 탄소 원자에 질소 원자 3개가 도핑되고, 그 도핑 위치가 인접하고 있는 제 1 및 제 2 탄소나노튜브가 서로 대향 배치된 상태로 포함되어 있는 다이오드(55Mb3A) 및 캡핑부의 제 2 탄소층에 속하는 4개의 탄소 원자가 질소 원자로 도핑되고, 각각의 질소 원자는 서로 인접 배치되어 있는 제 1 및 제 2 탄소나노튜브가 서로 대향 배치된 상태로 포함되어 있는 다이오드(55Mb4A)에 대하여 전류-전압 특성을 측정하였다.In Test Example 3, three nitrogen atoms belonging to the second carbon layer of the carbon nanotube capping portion having an armchair structure having a chiral vector index of (5, 5) were doped with three nitrogen atoms, and the doping positions thereof were adjacent to each other. The diode 55Mb3A including the first and second carbon nanotubes disposed opposite to each other and four carbon atoms belonging to the second carbon layer of the capping portion are doped with nitrogen atoms, and each nitrogen atom is disposed adjacent to each other. The current-voltage characteristics of the diodes 55Mb4A including the first and second carbon nanotubes disposed opposite to each other were measured.

시험예 1. Test Example 1.

탄소나노튜브 중 암체어 구조를 가지는 2개의 탄소나노튜브(키랄 벡터 지수: (5, 5))를 캡핑부의 최상단에 위치한 탄소 고리(5각형 탄소 고리)가 서로 마주보도록 대향 배치(J1)시키고, 그 대향 배치된 탄소 고리간의 거리(2.5 Å, 3.0 Å, 3.5 Å, 4.0 Å)에 따른 전류-전압 특성을 평가하였다. 상기 평가는, 제한된 바이어스(finite bias)에서, DFT(Density Functional Theory) 및 NEGF(Non-equilibrium Green's Function Formalism)에 근거하여 수행하였다. 전자 구조(electric structure)는, PBE(Perdew-Burke-Ernzerhof)에 의해 파라미터화된 GGA의 exchange-correlation functional을 사용하여 평가하였다. 코어 전자(core electron)는 수도포텐셜법(improved Troullier-Martins pseudopotentials)에 의해 표시하였고, 원자가 전자(valence electron)는, single-ζ 원자궤도 베이시스 셋(numerical atomic orbital basis set)으로 서술하였다(Atomistix ToolKit (ATK) software package (version: 2.0.4)). NEGF에서, 상기 탄소나노튜브 접합(J1)에 부착된 전극(semi-infinite electrodes)을 서술하는 표면 그린 함수(surface Green's function)는, 탄소나노튜브 접합에 따른 해밀턴-오버랩 매트릭스(Hamiltonian and overlap matrices)를 사용하여 유도하였다. 인가된 바이어스는 두 개의 화학 퍼텐셜(contact chemical potential)을 생성(μ1,2 = E f ±eV/2)하며, 탄소나노튜브 접합(J1)을 통과하는 전류는, 페르미 준위 부근의 바이어스 윈도우(μ12) 내의 전도 계수(transmission coefficient)를 적분하여 계산하였다.Of the carbon nanotubes, two carbon nanotubes (chiral vector index: (5, 5)) having an armchair structure are disposed to face each other (J1) so that the carbon rings (pentagonal carbon rings) located at the top of the capping part face each other. The current-voltage characteristics according to the distances (2.5 kW, 3.0 kW, 3.5 kW, 4.0 kW) between oppositely arranged carbon rings were evaluated. The evaluation was performed based on Density Functional Theory (DFT) and Non-equilibrium Green's Function Formalism (NEGF), with limited bias. The electrical structure was evaluated using the exchange-correlation functional of GGA parameterized by Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE). Core electrons are represented by improved Troullier-Martins pseudopotentials, and valence electrons are described by a single-ζ numerical atomic orbital basis set (Atomistix ToolKit). (ATK) software package (version: 2.0.4)). In NEGF, the Surface Green's function describing the semi-infinite electrodes attached to the carbon nanotube junction J1 is a Hamiltonian and overlap matrices according to the carbon nanotube junction. Derived using The applied bias creates two contact chemical potentials (μ 1,2 = E f ± eV / 2), and the current through the carbon nanotube junction (J1) is the bias window near the Fermi level ( The transmission coefficient in μ 12 ) was calculated by integrating.

첨부된 도 7는, 탄소나노튜브 접합(J1)에 대하여 전술한 방식에 의해 측정한 전류-전압 특성을 나타낸다. 첨부된 도 7에 나타난 바와 같이, 본 발명에 따른 탄소나노튜브 접합에서는, 제 1 및 제 2 탄소나노튜브 사이에서 큰 터널링 전류가 발생하고, 또한 그 특성이 NDR 거동을 나타내었다. 이러한 NDR 거동은 에자키 다이오드(또는 tunneling diode)에서 관찰되는 고유한 특성이다. 즉, 탄소나노튜브간의 거리에 따라 다소 변화가 관찰되었으나, 상기 접합(J1)의 전류-전압 곡선에서는, 약 0.0 V < V < 약 0.8 V의 인가 바이어스 범위 내에서는, 가파른 전류의 피크가 관찰되었고, 약 1.0 V < V < 1.5 V 근방에서는 전류가 상대적으로 낮았다. 또한, 탄소나노튜브간의 거리(d = 2.5 Å, 3.0 Å, 3.5 Å, 4.0 Å)에 따른 PVR(peak-to-valley ratio)은 각각 2.45, 4,62, 15.03 및 24.12로 나타났다.FIG. 7 shows current-voltage characteristics measured by the above-described method for the carbon nanotube junction J1. As shown in FIG. 7, in the carbon nanotube junction according to the present invention, a large tunneling current is generated between the first and second carbon nanotubes, and the characteristics thereof show NDR behavior. This NDR behavior is a unique feature observed in Ezaki diodes (or tunneling diodes). That is, a slight change was observed depending on the distance between the carbon nanotubes, but in the current-voltage curve of the junction J1, a steep current peak was observed within the applied bias range of about 0.0 V <V <about 0.8 V. The current was relatively low around 1.0 V <V <1.5 V. In addition, the peak-to-valley ratio (PVR) according to the distance between carbon nanotubes (d = 2.5 kW, 3.0 kW, 3.5 kW, 4.0 kW) was 2.45, 4,62, 15.03 and 24.12, respectively.

시험예 2Test Example 2

제조된 탄소나노튜브 중 지그재그 구조를 가지는 2개의 탄소나노튜브(키랄 벡터 지수: (9, 0))를 캡핑부의 최상단에 위치한 탄소 고리(6각형 탄소 고리)가 서로 마주보도록 대향 배치(J2)시키고, 그 대향 배치된 탄소 고리간의 거리(2.5 Å, 3.0 Å, 3.5 Å, 3.8 Å, 4.0 Å)에 따른 전류-전압 특성을 시험예 1과 동일한 방식으로 평가하고, 그 결과를 도 8에 나타내었다. 도 8의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 지그재그형 탄소나노튜브가 대향 배치된 접합(J2)의 경우, 암체어형 탄소나노튜브의 접합(J1)에 비해 상대적으로 약하지만, 여전히 터널링 전류 및 NDR 거동이 관찰되었다. 지그재그형 탄소나노튜브의 접합(J2)의 경우, 탄소나노튜브의 거리(d= 2.5 Å, 3.0 Å, 3.5 Å, 3.8 Å, 4.0 Å)에 따른 PVR 수치는, 각각 1.02, 1.12, 5.62, 7.12 및 6.50으로 나타났다.Of the prepared carbon nanotubes, two carbon nanotubes having a zigzag structure (chiral vector index: (9, 0)) are disposed to face each other so that the carbon rings (hexagonal carbon rings) located at the top of the capping part face each other. , The current-voltage characteristic according to the distance (2.5 kW, 3.0 kW, 3.5 kW, 3.8 kW, 4.0 kW) between the oppositely disposed carbon rings was evaluated in the same manner as in Test Example 1, and the results are shown in FIG. . As can be seen from the results of FIG. 8, in the case of the junction J2 in which the zigzag-type carbon nanotubes are disposed oppositely, they are relatively weak compared to the junction J1 of the armchair-type carbon nanotubes, but still have tunneling current and NDR behavior. This was observed. In the case of the zigzag carbon nanotube junction (J2), the PVR values according to the carbon nanotube distances (d = 2.5 kW, 3.0 kW, 3.5 kW, 3.8 kW, 4.0 kW) are 1.02, 1.12, 5.62 and 7.12, respectively. And 6.50.

시험예 3.Test Example 3.

상술한 두 종의 다이오드(55Mb3A 및 55Mb4A)에 대하여 전류-전압 특성을 시험예 1 및 2와 동일한 방식으로 평가하고, 그 결과를 도 11 및 12에 나타내었다. 도 11의 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 2 탄소층에 3개 또는 4개의 질소 원자가 인접 배치된 상태로 도핑되어 있는 경우, 인가된 전압에 따른 NDR 피크가 2개가 나타내었다. 이에 따라, 본 발명의 다이오드는 멀티 스위칭 디바이스에도 효과적으로 적용될 수 있음을 확인할 수 있다(도 12 참조).The current-voltage characteristics of the two kinds of diodes 55Mb3A and 55Mb4A described above were evaluated in the same manner as in Test Examples 1 and 2, and the results are shown in FIGS. 11 and 12. As can be seen from the result of FIG. 11, when three or four nitrogen atoms are doped adjacent to the second carbon layer, two NDR peaks are shown according to the applied voltage. Accordingly, it can be seen that the diode of the present invention can be effectively applied to a multi switching device (see FIG. 12).

도 1은 일반적인 탄소나노튜브의 구조를 설명하는 모식도이다.1 is a schematic diagram illustrating a structure of a general carbon nanotube.

도 2는 암체어 구조 및 지그재그 구조의 탄소나노튜브의 측면을 나타내는 모식도이다.Figure 2 is a schematic diagram showing the side of the carbon nanotubes of the armchair structure and zigzag structure.

도 3은 흑연 시트에서 탄소나노튜브의 키랄 벡터 지수를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a chiral vector index of carbon nanotubes in a graphite sheet.

도 4는 본 발명에서 질소 원자의 탄소나노튜브로의 도핑 위치를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining the doping position of nitrogen atoms to carbon nanotubes in the present invention.

도 5, 6, 9 및 10은 질소 원자의 도핑 위치에 따른 탄소나노튜브의 배치 상태를 설명하기 위한 도면이다.5, 6, 9 and 10 are views for explaining the arrangement of carbon nanotubes according to the doping position of nitrogen atoms.

도 7, 8, 11 및 12는 본 발명의 실시예의 다이오드의 전류-전압 특성을 나타내는 도면이다.7, 8, 11 and 12 are diagrams showing the current-voltage characteristics of the diode of the embodiment of the present invention.

Claims (17)

적어도 일말단이 캡핑되어 있고, 상기 캡핑부에 하나 이상의 질소 원자가 도핑되어 있는 제 1 및 제 2 탄소나노튜브를 포함하며, At least one end is capped and includes first and second carbon nanotubes doped with one or more nitrogen atoms in the capping part, 상기 제 1 및 제 2 탄소나노튜브는 각각의 캡핑부가 서로 대향된 상태로 배치되어 있는 다이오드.The first and second carbon nanotubes are diodes each disposed with the capping portion facing each other. 제 1 항에 있어서, 탄소나노튜브가 금속성 탄소나노튜브인 다이오드.The diode of claim 1, wherein the carbon nanotubes are metallic carbon nanotubes. 제 1 항에 있어서, 탄소나노튜브가 암체어 구조 또는 지그재그 구조를 가지는 다이오드.The diode of claim 1, wherein the carbon nanotubes have an armchair structure or a zigzag structure. 제 1 항에 있어서, 탄소나노튜브는 키랄 벡터 지수가 (a, a) 또는 (b, 0)이며, 상기 키랄 벡터 지수에서 a 및 b는 하기 일반식 1 또는 2의 조건을 만족하는 다이오드: The diode of claim 1, wherein the carbon nanotubes have a chiral vector index of (a, a) or (b, 0), and a and b in the chiral vector index satisfy the conditions of the following general formula (1) or (2): [일반식 1][Formula 1] a = 5 내지 16,a = 5 to 16, [일반식 2] [Formula 2] b = 3 × jb = 3 × j 상기에서 j는 3 내지 10 의 정수를 나타낸다. In the above, j represents an integer of 3 to 10. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 탄소나노튜브는 풀러렌 반구에 의해 캡핑되어 있는 다이오드.The diode of claim 1, wherein the first and second carbon nanotubes are capped by fullerene hemispheres. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 탄소나노튜브는 각각의 캡핑부 최상단에 5각형 탄소 고리가 존재하는 다이오드.The diode of claim 1, wherein each of the first and second carbon nanotubes has a pentagonal carbon ring at the top of each capping portion. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 탄소나노튜브는 각각의 캡핑부 최상단에 6각형 탄소 고리가 존재하는 다이오드.The diode of claim 1, wherein each of the first and second carbon nanotubes has a hexagonal carbon ring at the top of each capping portion. 제 1 항에 있어서, 탄소나노튜브는 하나의 질소 원자로 도핑되어 있는 다이오드.The diode of claim 1, wherein the carbon nanotubes are doped with one nitrogen atom. 제 8 항에 있어서, 질소 원자는, 각각의 탄소나노튜브 캡핑부의 제 1 탄소층; 및 제 2 탄소층에 속하는 탄소 원자 중 어느 하나의 탄소 원자에 도핑되어 있는 다이오드.The method of claim 8, wherein the nitrogen atom comprises: a first carbon layer of each carbon nanotube capping portion; And a diode doped with one of the carbon atoms belonging to the second carbon layer. 제 8 항에 있어서, 질소 원자는, 제 2 탄소층에 속하는 탄소 원자 중 어느 하나의 탄소 원자에 도핑되어 있는 다이오드.The diode according to claim 8, wherein the nitrogen atom is doped with one of the carbon atoms belonging to the second carbon layer. 제 8 항에 있어서, 싱글 스위칭 전류-전압 특성을 나타내는 다이오드.9. The diode of claim 8 having a single switching current-voltage characteristic. 제 1 항에 있어서, 탄소나노튜브에는 2개 이상의 질소 원자가 도핑되어 있는 다이오드.The diode of claim 1, wherein the carbon nanotubes are doped with two or more nitrogen atoms. 제 12 항에 있어서, 질소 원자는, 제 2 탄소층 내지 제 5 탄소층에 속하는 탄소 원자 중 2개 이상에 도핑되어 있는 다이오드.The diode according to claim 12, wherein the nitrogen atom is doped with two or more of the carbon atoms belonging to the second to fifth carbon layers. 제 12 항에 있어서, 질소 원자는 제 2 탄소층에 속하는 탄소 원자 중 2개 이상에 도핑되어 있는 다이오드.13. The diode of claim 12 wherein the nitrogen atom is doped to at least two of the carbon atoms belonging to the second carbon layer. 제 12 항에 있어서, 탄소 원자에 도핑되어 있는 질소 원자는 서로 인접한 상태로 배치되어 있는 다이오드.13. The diode of claim 12 wherein the nitrogen atoms doped with carbon atoms are disposed adjacent to each other. 제 12 항에 있어서, 멀티 스위칭 전류-전압 특성을 나타내는 다이오드.13. The diode of claim 12 having a multi switching current-voltage characteristic. 제 1 항에 있어서, 제 1 및 제 2 탄소나노튜브의 캡핑부 사이의 거리가 1.0 Å 내지 5.0 Å인 다이오드.The diode of claim 1, wherein a distance between the capping portions of the first and second carbon nanotubes is 1.0 kW to 5.0 kW.
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