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國(guó)家納米科學(xué)中心：一種新型的低維材料懸空方法用于晶片級(jí)碳納米管懸空陣列晶體管的制備

2017-08-24 09:28:25 作者：本網(wǎng)整理來(lái)源：材料人分享至：

【引言】

比起接觸基底的碳納米管器件，懸空且拉緊的碳納米管器件有非常大的優(yōu)勢(shì)，特別是在高頻振蕩器的應(yīng)用中。因?yàn)楸苊馓脊芎突椎慕佑|可以有效的抑制電流波動(dòng)，減小柵壓調(diào)制電回滯以及增加傳感面積等。目前，制備懸空的碳納米管器件主要有兩種方法：第一種是利用電子束曝光和濕法刻蝕的方法實(shí)現(xiàn)碳管懸空，缺點(diǎn)是有機(jī)膠在碳管表面的殘留會(huì)影響電子器件的性能。第二種方法是預(yù)先在基底上微加工方法做好電極，然后采用原位生長(zhǎng)的化學(xué)氣相沉積法使碳管生長(zhǎng)在電極之間實(shí)現(xiàn)懸空。盡管這種方法避免了有機(jī)膠的影響，但是碳管只是附著在電極表面而且呈松弛的狀態(tài)。

在晶體管的工業(yè)應(yīng)用中，每一個(gè)集體管要求若干碳納米管平行排列來(lái)驅(qū)動(dòng)所需要的電流。國(guó)內(nèi)外很多課題組對(duì)于制備大面積高致密度的碳管陣列也有很多進(jìn)展，有的利用石英基底來(lái)生長(zhǎng)碳納米管陣列，有的利用吸附分子的方法實(shí)現(xiàn)碳管在溝道中平行排列，然而大面積制備懸空碳納米管陣列仍然是個(gè)挑戰(zhàn)。而對(duì)于二維材料來(lái)說(shuō)，有方法是用化學(xué)氣相沉積法聯(lián)合濕法接觸打印來(lái)實(shí)現(xiàn)大面積二維材料的懸空，然而這些方法都不能使二維材料精確的懸空到預(yù)加工的電極上，從而會(huì)限制器件的電學(xué)測(cè)量以及應(yīng)用。

【成果簡(jiǎn)介】

近日，國(guó)家納米科學(xué)中心的孫連峰研究員和褚衛(wèi)國(guó)研究員（共同通訊作者）等人在Small上發(fā)表一篇名為“Wafer-Scale Fabrication of Suspended Single-Walled Carbon Nanotube Arrays by Silver Liquid Dynamics”的文章。該研究用一種新穎、有效而且快速的技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)了晶片級(jí)單壁碳納米管懸空陣列的制備，這種技術(shù)是利用熔融狀態(tài)金屬銀的動(dòng)態(tài)動(dòng)力使不定向排布的碳納米管懸空而且平行排列在預(yù)加工好的鈀電極上，而且非常重要的是碳管不僅懸空而且被拉緊。在4cm2的片子上，超過(guò)60, 000, 000根碳管被制備成懸空陣列，密度為10根每微米，幾乎所有的碳管都成功懸空。最后，基于這種方法制備了碳納米管懸空陣列晶體管，展示了其工業(yè)應(yīng)用的潛力。該工作的第一作者是國(guó)家納米科學(xué)中心的博士張健和碩士劉思雨（共同第一作者）。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1:懸空碳納米管陣列的制備

（a）碳納米管懸空陣列制備過(guò)程示意圖；

（b）器件退火前的SEM照片，對(duì)應(yīng)于過(guò)程v；

（c）退火后器件的SEM照片，不定向排布的碳管最后懸空而且平行排布，對(duì)于過(guò)程vi。

圖2:晶片級(jí)碳納米管懸空陣列的制備

（a）晶片級(jí)碳納米管懸空陣列的低倍光學(xué)照片；

（b）晶片級(jí)碳納米管懸空陣列的高倍光學(xué)照片；

（c）典型的碳納米管懸空陣列的SEM照片，樣片傾斜60度拍照；

（d）溝道寬度和碳管懸空率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，當(dāng)寬度為1微米時(shí)，碳管懸空率接近100%。

圖3:碳納米管懸空的機(jī)理

（a）碳納米管沉積在金屬銀膜表面；

（b）高溫下，金屬銀膜形成液態(tài)銀球并朝著金屬鈀電極運(yùn)動(dòng)；

（c）最終碳管懸空并拉緊；

（d）典型的碳管-銀接觸的高倍SEM照片；

（e）碳管-銀接觸的示意圖。

圖4:典型的懸空碳納米管陣列器件的電流-電壓特性曲線(xiàn)

（a）懸空碳管陣列器件的SEM圖；

（b）兩端器件的I-V曲線(xiàn)；

（c）柵電壓調(diào)制的特性曲線(xiàn)；

（d）兩端法和四端法的器件電阻比較。

圖5:利用電焦耳熱方法制備懸空碳管陣列晶體管

（a）利用點(diǎn)焦耳熱刻蝕金屬管的I-V曲線(xiàn)；

（b）懸空碳管陣列晶體管的典型的特性曲線(xiàn)；

（c）20個(gè)懸空碳管陣列晶體管的特性曲線(xiàn)。

【小結(jié)】

研究者們巧妙的利用高溫退火環(huán)境中金屬銀顆粒的運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)碳納米管懸空并拉緊，而且使不定向的碳管變成了平行陣列。并且制備的懸空碳管陣列晶體管穩(wěn)定而且高開(kāi)關(guān)比，顯示了這種制備技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的潛力。該技術(shù)也為制備二維材料懸空且有應(yīng)力器件提供了一條可行的方案。

文獻(xiàn)鏈接：Wafer-Scale Fabrication of Suspended Single-Walled Carbon Nanotube Arrays by Silver Liquid Dynamics（Small,2017,DOI:10.1002/smll.201701218）

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責(zé)任編輯：殷鵬飛

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