國家納米科學中心：一種新型的低維材料懸空方法用于晶片級碳納米管懸空陣列晶體管的制備

【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勢，特別是在高頻振蕩器的應用中。因為避免碳管和基底的接觸可以有效的抑制電流波動，減小柵壓調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現碳管懸空，缺點是有機膠在碳管表面的殘留會影響電子器件的性能。第二種方法是預先在基底上微加工方法做好電極，然后采用原位生長的化學氣相沉積法使碳管生長在電極之間實現懸空。盡管這種方法避免了有機膠的影響，但是碳管只是附著在電極表面而且呈松弛的狀態。

在晶體管的工業應用中，每一個集體管要求若干碳納米管平行排列來驅動所需要的電流。國內外很多課題組對于制備大面積高致密度的碳管陣列也有很多進展，有的利用石英基底來生長碳納米管陣列，有的利用吸附分子的方法實現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挑戰。而對于二維材料來說，有方法是用化學氣相沉積法聯合濕法接觸打印來實現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加工的電極上，從而會限制器件的電學測量以及應用。

【成果簡介】

近日，國家納米科學中心的孫連峰研究員和褚衛國研究員（共同通訊作者）等人在Small上發表一篇名為“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來實現了晶片級單壁碳納米管懸空陣列的制備，這種技術是利用熔融狀態金屬銀的動態動力使不定向排布的碳納米管懸空而且平行排列在預加工好的鈀電極上，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，展示了其工業應用的潛力。該工作的第一作者是國家納米科學中心的博士張健和碩士劉思雨（共同第一作者）。

【圖文導讀】

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程示意圖；

(b).器件退火前的SEM照片，對應于過程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，對于過程vi。

圖2:晶片級碳納米管懸空陣列的制備

(a).晶片級碳納米管懸空陣列的低倍光學照片；

(b).晶片級碳納米管懸空陣列的高倍光學照片；

(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應關系，當寬度為1微米時，碳管懸空率接近100%。

圖3:碳納米管懸空的機理

(a).碳納米管沉積在金屬銀膜表面；

(b).高溫下，金屬銀膜形成液態銀球并朝著金屬鈀電極運動；

(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

(a).懸空碳管陣列器件的SEM圖；

(b).兩端器件的I-V曲線；

(c).柵電壓調制的特性曲線；

(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).利用點焦耳熱刻蝕金屬管的I-V曲線；

(b).懸空碳管陣列晶體管的典型的特性曲線；

(c).20個懸空碳管陣列晶體管的特性曲線。

【小結】

研究者們巧妙的利用高溫退火環境中金屬銀顆粒的運動來帶動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定而且高開關比，顯示了這種制備技術工業應用的潛力。該技術也為制備二維材料懸空且有應力器件提供了一條可行的方案。

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

材料人編輯部整理。

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