室温自旋交叉分子内嵌碳纳米管异质结材料、制法与应用制造技术

本发明专利技术公开了一种室温自旋交叉分子内嵌碳纳米管异质结材料、制法与应用。所述自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料包括由单壁碳纳米管构成的管状基体以及能够产生金属

【技术实现步骤摘要】
室温自旋交叉分子内嵌碳纳米管异质结材料、制法与应用


[0001]本专利技术涉及半导体材料
，尤其是室温自旋交叉分子内嵌碳纳米管异质结材料、制法与应用，具体涉及一种自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料的制备方法，并将该分子异质结材料用于室温电学开关器件的应用。

技术介绍

[0002]半导体型单壁碳纳米管具有高迁移率，高开关比，柔性，可大面积化等优点，被视为后摩尔时代替代硅材料的重要方案。然而，单壁碳纳米管不具有本征的非易失性电学开关行为，极大的限制了它的应用范畴。金属
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有机自旋交叉(spin
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crossover，SCO)配合物由于金属离子的外层电子的成对能和结合能相差很小，外部刺激(例如温度、光、电场、磁场等)很容易使其在两种能态间发生变化，从而表现出高/低自旋转变(图1所示)，因而自旋交叉配合物是构筑分子电子开关的理想材料。然而，现有技术在研究单个或少数自旋交叉配合物分子开关器件时遇到了极大的挑战，具体表现在：(一)配合物易分解变质，分子器件稳定性差；(二)分子尺度下器件构筑困难，成功率低；(三)分子与电极界面耦合作用导致自旋交叉性质的改变，甚至消失。
[0003]为解决上述问题，本专利技术人在长期实践中发现，将金属
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有机自旋交叉配合物填充在单壁碳纳米管内腔中形成异质结，不仅可以使金属有机自旋交叉配合物分子稳定，而且可以实现碳管的非易失性开关功能。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种室温自旋交叉分子内嵌碳纳米管异质结材料、制法与应用。
[0005]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种自旋交叉分子单壁内嵌碳纳米管异质结材料，包括由单壁碳纳米管构成的管状基体以及填充于所述管状基体中的填充分子；所述填充分子是具有多种自旋态相互转换性质的配合物分子。
[0007]第二方面，本专利技术还提供一种自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料的制备方法，包括：
[0008]提供端部开口的单壁碳纳米管作为管状基体；
[0009]利用溶液毛细作用法或气相传输法，使填充分子填充于所述管状基体中，获得自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料，所述所述填充分子包括能够产生金属
‑
有机自旋交叉行为的配合物分子。
[0010]第三方面，本专利技术还提供一种半导体器件的制作方法，包括：
[0011]配制包含上述自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料的沉积溶液；
[0012]使基底与所述沉积溶液接触，进行溶液沉积，获得半导体前体膜；
[0013]对所述前体膜进行图案化刻蚀并设置电极，构成半导体器件。
[0014]第四方面，本专利技术还提供一种半导体器件，包括至少由上述自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料构成的晶体管以及与所述晶体管电连接的电极。
[0015]基于上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0016]本专利技术以室温附近具有自旋交叉性质的配合物为填充分子，通过溶液毛细作用或气相传输的方法实现分子内嵌单壁碳纳米管的分子异质结，并实现了分子自旋交叉性质调控单壁碳纳米管电学性质的开关行为。
[0017]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
[0018]图1是本专利技术一典型实施案例提供的自旋交叉配合物分子的结构示意图；
[0019]图2是本专利技术一典型实施案例提供的自旋交叉配合物分子的XRD模拟与测试谱图；
[0020]图3是本专利技术一典型实施案例提供的自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料的结构示意图；
[0021]图4是本专利技术一典型实施案例提供的填充配合物分子后的单壁碳纳米管的红外光谱测试图；
[0022]图5是本专利技术一典型实施案例提供的填充配合物分子前后的单壁碳纳米管的拉曼光谱对比测试图；
[0023]图6是本专利技术一典型实施案例提供的填充配合物分子后的单壁碳纳米管的透射电子显微镜图像；
[0024]图7是本专利技术一典型实施案例提供的自旋交叉内嵌单壁碳纳米管沉积薄膜的原子力显微镜图像；
[0025]图8是本专利技术一典型实施案例提供的自旋交叉内嵌单壁碳纳米管薄膜器件的光学显微镜图像；
[0026]图9是本专利技术一典型实施案例提供的自旋交叉内嵌单壁碳纳米管薄膜器件沟道处的原子力显微镜图像；
[0027]图10是本专利技术一典型实施案例提供的自旋交叉内嵌单壁碳纳米管薄膜器件电流与温度之间的变化关系测试图。
具体实施方式
[0028]鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0029]碳纳米管(CNT)，尤其是单壁碳纳米管(single
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walled carbon nanotube，SWCNT)是一种由单层碳原子构成的石墨烯片层卷曲而成的无缝的准一维中空管状纳米材料，具有独特的电学性质和超高的力学性能，被视为取代硅基半导体的重要选择。但是单壁碳纳米管自身并不具有本征的电学开关行为。在碳纳米管局域空间中，可以通过升华或溶液毛细作用实现小分子或团簇填充，形成异质结，从而赋予碳纳米管更加丰富的性质。
[0030]基于此，本专利技术发展了两种方法实现自旋交叉配合物分子在单壁碳纳米管内腔中
的填充，并利用该异质结材料实现了电子开关器件方面的应用，尤其是室温附近。
[0031]其中所述室温是指25℃左右的常规室内温度，也是大部分器件的应用实际温度附近，例如10
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35℃，但不限于绝对的室温值，由于可能的发热，或严寒等，可能的应用温度可以是0
‑
50℃等，甚至更低或更高的范围。
[0032]当然，本专利技术所提供的材料结构优选为室温自旋交叉材料，但也不仅限于此，若将配合物分子选择为具有高温或低温下具有自旋交叉特性的配合物分子，依然可以实现在低温或高温下的器件应用。这些温度领域也属于本专利技术的保护范围。
[0033]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0034]参见图1、图2、图3
‑
图6，本专利技术实施例的第一个方面提供的一种自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料，包括由单壁碳纳米管构成的管状基体以及填充于所述管状基体中的填充分子；所述填充分子是具有多种自旋态相互转换性质的配合物分子。
[0035]在一些实施方案中，所述配合物分子的直径在2.2nm以下。
[0036]在一些实施方案中，所述配合物分子在室温附近具有自旋转换性质。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料，其特征在于，包括由单壁碳纳米管构成的管状基体以及填充于所述管状基体中的填充分子；所述填充分子是具有多种自旋态相互转换性质的配合物分子。2.根据权利要求1所述的自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料，其特征在于，所述配合物分子的直径在2.2nm以下。3.根据权利要求1所述的自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料，其特征在于，所述配合物分子在室温附近具有自旋转换性质；优选的，所述室温附近为
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10～100℃；优选的，所述配合物分子包括Tp2Fe、Fe[HB(trz)3]2、[Fe(pypyr(CF3)2)2(phen)]、[Fe(qnal)2]中的任意一种或两种以上的组合。4.根据权利要求1所述的自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料，其特征在于，所述单壁碳纳米管的内径为1
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3nm。5.一种自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料的制备方法，其特征在于，包括：提供端部开口的单壁碳纳米管作为管状基体；利用溶液毛细作用法或气相传输法，使填充分子填充于所述管状基体中，获得自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料，所述所述填充分子包括能够产生金属
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有机自旋交叉行为的配合物分子。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，还包括：使填充分子填充于所述管状基体中，获得金属型和半导体型单壁碳纳米管填充体组成的混合物，在所述混合物中分离提取半导体型的单壁碳纳米管填充体，作为所述自旋交叉分子内嵌单壁碳纳米管异质结材料；优选的，所述分离提取具体包括：对所述混合物进行超声处理，同时加入聚合物，超声完成...

【专利技术属性】
技术研发人员：康黎星，李晶，姚建，滕宇，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：