北京大學ACS Nano: 高密度高純度半導體碳納米管陣列問世

【引言】

單壁碳納米管在電子產品中得到了廣泛應用，然而，大規模制造高性能碳納米管器件仍然很難，主要是由于缺乏適合于高性能電器元件和集成電路（IC_s）的高性能碳納米管材料。雖然人們認為高密度、高純度碳納米管是構建高速和低耗集成電路的理想材料，但同時實現這兩個屬性仍然具有挑戰性。近年來，碳納米管材料純化技術雖然實現了高達99.99%的高純度，但也造成了碳納米管長度短和均勻性差方面的缺陷，導致該材料制備電器元件過程復雜、成本高、器件性能下降。因此，制備出有序的高濃度、高純度碳納米管材料將促進高性能電器元件和集成電路的發展。

【成果簡介】

近日，北京大學納米器件物理與化學教育部重點實驗室彭練矛教授和張志勇教授（共同通訊作者）團隊在ACS Nano上發表了一篇題為“Scalable Preparation of High-Density Semiconducting Carbon Nanotube Arrays for High Performance Field-Effect Transistors”的文章。 該文章中研究人員報道了一種定向收縮轉移法制備高密度、高純度碳納米管陣列的方法。制備出的碳納米管陣列密度是原始碳納米管陣列的10倍，檢測顯示制備過程對碳納米管陣列無損傷，以高密度碳納米管陣列制備的場效應晶體管在電學性能方面表現出了優異的性能。

【圖文導讀】

圖1 通過膜拉伸方式制備高密度CNTs示意圖

?(a) 制備采用定向收縮轉移法，將碳納米管/PMMA膜粘附到拉伸的PDMS膜上，保持CNT陣列垂直于PDMS膜拉伸方向，PDMS膜慢慢地釋放到原來的長度后得到碳納米管/聚甲基丙烯酸甲酯/PDMS薄膜；

(b-c) 密度發生10倍變化前后碳納米管陣列掃描電鏡對比。

圖2 碳納米管陣列密度調節

(a) 未增加密度的碳納米管陣列掃描電鏡；

(b) 拉伸2倍時碳納米管陣列掃描電鏡；

(c) 拉伸3倍時碳納米管陣列掃描電鏡；

(d) 拉伸4倍時碳納米管陣列掃描電鏡；

(e) 顯示了拉伸倍數與碳納米管陣列密度及FETs電流間的關系；

(f) 碳納米管陣列拉曼光譜圖。

圖3 高密度碳納米管陣列特性

(a) 在原始碳納米管上隨機取四個位置掃描電鏡；

(b) 拉伸5倍時，四個隨機位置的碳納米管陣列掃描電鏡比較；

(c) 通過自主設計的matlab程序計算出的碳納米管陣列密度標準偏差值；

(d-e) 碳納米管陣列密度增加前后跨導值由4.19提高到22.46；

(f) 拉曼光譜圖顯示密度增加后碳納米管陣列仍保持良好的方向性；

(g) COMSOL 軟件模擬出的PDMS被拉伸5倍圖。

圖4 半導體碳納米管陣列密度增加前后FETs電特性

(a) 頂柵自對準場效應晶體管示意圖；

(b) 場效應晶體管掃描電鏡；

(c) 通過場效載流遷移率評估高密度碳納米管陣列質量；

(d) VDS = 0.1 V時，不同碳納米管陣列密度場效應晶體跨導統計比較；

(e) 場效應晶體管傳輸特性；

(f) 場效應晶體管輸出特性；

(g) 碳納米管陣列純度。

?【小結】

這項工作研究人員開發了一種定向收縮轉移方法，在無損情況下制備出了10倍密度的半導體碳納米管陣列薄膜。該方法提高了薄膜的均勻性，同時還保持CVD法生長的碳納米管陣列的高載流遷移率1600 cm^2?V^-1?s^-1。將該高密度碳納米管陣列制備成場效應晶體管進行電學性能測試，獲得了載流遷移率分布約為1591.8×133.6 cm²/Vs，I_on和G_m值達150 μA/μm和80 μS/um，I_on/I_off值達10⁴的結果，是目前獲得的最高值。這項工作為同時提高碳納米管密度和純度方面提供了一種新的思路，將促進高性能場效應晶體管（FET）和集成電路（IC）材料方面進一步發展。

?文獻鏈接：Scalable Preparation of High-Density Semiconducting Carbon Nanotube Arrays for High Performance Field-Effect Transistors（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b07665）

本文由編輯部王健康編輯，劉宇龍審核，點我加入材料人編輯部。

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