本发明专利技术涉及单壁碳纳米管领域，具体为一种全单壁碳纳米管场效应晶体管及其制备方法，以半导体性单壁碳纳米管作为场效应晶体管沟道，以金属性/半导体性单壁碳纳米管混合物作为源、漏电极。在适当温度下，金属氧化物可与单壁碳纳米管发生碳热反应，并选择性刻蚀高化学活性的金属性单壁碳纳米管，获得半导体性单壁碳纳米管。利用光刻技术在Si/SiO2基体上沉积金属膜，并预氧化得到金属氧化物膜。单壁碳纳米管薄膜中与金属氧化物接触的反应区仅留下半导体性单壁碳纳米管作为场效应晶体管沟道，而沟道以外未受影响的单壁碳纳米管作为源、漏电极。本发明专利技术无需沉积金属电极，可用于柔性器件，具有清洁、高效的特点，并有可能用于制造大规模全碳集成电路。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及单壁碳纳米管领域，具体为一种全单壁碳纳米管场效应晶体管及其制备方法。
技术介绍
单壁碳纳米管因具有优异的电学、光学及力学等诸多性能，因而在下一代的纳电子器件中具有良好的应用前景。例如，单壁碳纳米管的载流密度高达109A/cm2，这比传统的金属材料铜高几个数量级；由半导体性单壁碳纳米管构建的场效应晶体管，通过栅压的调节，可以实现电流调节的开关比可高达105，是作为逻辑电路的理想基本单元。然而，所有的单壁碳纳米管制备方法得到的单壁碳纳米管都是金属性和半导体性的混合物。通常情况下，产物中有1/3为金属性，2/3为半导体性。所以，为了实现单壁碳纳米管在纳电子器件中的应用，需要制备高纯度的半导体性单壁纳米碳管样品，以使得场效应晶体管的沟道不被金属性单壁碳纳米管短路，从而获得高性能的场效应晶体管。 为了获得高性能的场效应晶体管，早期开展的大量工作多围绕在(I)选择性生长半导体性单壁碳纳米管富集的样品(文献1，Qu LT, Du F，DaiLM, Nano Letters, 2008. 8(9): p. 2682-2687)。(2)通过后处理方法将半导体性单壁碳纳米管从原始样品中分离出来(文献 2, Tanaka T, Jin HH, Miyata Y, Fujii S，Suga H, Naitoh Y, et al. , NanoLetters, 2009. 9(4) :ρ· 1497-1500)。(3)电致金属性单壁碳纳米管烧蚀，调节场效应晶体管的栅压使半导体性单壁碳纳米管关断，金属性单壁碳纳米管导通，并通以大电流，使得金属性单壁碳纳米管通路烧断(文献 3，Collins PC, Arnold MS, Avouris P, Science, 2001. 292 (5517) :ρ· 706-709)。(4)气相反应，由于金属性及半导体性单壁碳纳米管的电子结构不同，金属性单壁碳纳米管在费米面附近具有电子占据态，因而相对于半导体性单壁碳纳米管具有更高的化学反应活性，通过选择具有刻蚀性的小分子，如02、H2O等可以实现对金属性单壁碳纳米管的优先刻蚀，留下半导体体性的单壁碳纳米管，从而提高器件的开关性能(文献4，Yu B, HouPX, Li F，Liu BL, Liu C，Cheng HM, Carbon, 2010. 48(10):ρ. 2941-2947)。尽管上述研究取得了较大进展，但依然存在一些弊端，如处理过程耗时低效、难以规模化，不利于器件的直接制备，所得器件性能的稳定性有待提高等。因此，为促进单壁碳纳米管在微纳电子器件的应用，目前亟需解决的一个瓶颈问题是如何发展一种简单、高效、可大规模制备碳纳米管器件及其集成电路的技术。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种全单壁碳纳米管场效应晶体管及其制备方法，该技术具有清洁、高效的特点，并有可能用于制造大规模全碳集成电路。本专利技术是通过以下技术方案实现一种全单壁碳纳米管场效应晶体管，以半导体性单壁碳纳米管作为场效应晶体管沟道，以金属性/半导体性单壁碳纳米管混合物作为源电极或漏电极。所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，包括如下步骤(I)利用离子束辅助沉积法在Si/Si02基体上沉积O. 02nm-2nm厚的催化剂，所述沉积金属膜后的基体在800-1000°C，在Ar/H2混合气氛中预处理2_20min形成金属纳米粒子，之后利用Ar载碳氢有机物作为碳源，引发单壁碳纳米管的生长；(2)利用光刻技术在Si/Si02基体上沉积具有碳热反应的金属膜，并在200_700°C预氧化得到金属氧化物膜；(3)将带有金属氧化物膜的基体与生长有单壁碳纳米管薄膜的基体相对叠放，施加压力，保证两者之间的紧密贴合；在200-500°C空气气氛中，金属氧化物膜与单壁碳纳米管薄膜接触发生碳热反应5-45min之后将两者分开，经酸洗去除残留的金属氧化物； 单壁碳纳米管薄膜中与金属氧化物膜接触的反应区仅留下半导体性单壁碳纳米管作为场效应晶体管沟道，而沟道以外未受影响的单壁碳纳米管作为源电极或漏电极；从而，获得全单壁碳纳米管场效应晶体管。所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，步骤(I)中，催化剂为Fe、Ni或Co，作为表面生长单壁碳纳米管的催化剂。所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，步骤(I)中，形成金属纳米粒子的粒度为l-10nm。所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，步骤(I)中，碳源为乙烯、乙炔或乙醇。所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，步骤(I)中，单壁碳纳米管为表面生长样品，且以单根形式存在。所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，步骤(2)中，利用光刻技术将金属膜化成各种金属线条或图形，并精确控制金属线条的厚度、宽度和间距，金属线条的厚度l_500nm,金属线条的宽度为1_100 μ m,金属线条的间距为100 μ m-lmm。所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，步骤(3)中，用浓度为lmol/L的HCl溶液将残留的金属氧化物清洗去除，酸洗去除残留的金属氧化物后，用去离子水将基体洗净，并干燥。所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，步骤(3)中，具有碳热反应的金属为Ni、Fe、Co或Cu，均用于选择性去除金属性单壁碳纳米管，构建全碳单壁碳纳米管场效应晶体管。本专利技术的优点是I、本专利技术全单壁碳纳米管场效应晶体管的设计与制备技术，首次提出利用金属氧化物与单壁碳纳米管之间的碳热反应，结合金属性单壁碳纳米管的反应活性比半导体性单壁碳纳米管更高的特点，在较低的温度下，选择性去除金属性单壁碳纳米管，制备以半导体性单壁碳纳米管为场效应晶体管沟道，金属性/半导体性单壁碳纳米管混合物作为源电极或漏电极的全碳纳米管场效应晶体管。2、本专利技术利用光刻技术，将金属氧化物做成图案化的掩膜，一步获得全单壁碳纳米管场效应晶体管。3、本专利技术采用所有具有碳热反应的金属，例如Ni、Fe、Co、Cu等，均可用于选择性去除金属性单壁碳纳米管，构建全碳单壁碳纳米管场效应晶体管。4、本专利技术催化剂不只限于Co催化 剂，其它Fe、Ni等可以表面生长单壁碳纳米管的催化剂均可以，碳源不只限于C2H5OH,其它可以表面生长单壁碳纳米管的碳源均可以获得全单壁碳纳米管场效应晶体管。5、本专利技术利用光刻技术可以将金属氧化物图案化成各种线条、图形，并可精确控制线条宽度、间距等。6、本专利技术带金属氧化物线条或金属氧化物图形的基体与带单壁碳纳米管薄膜的基体相叠加时，需施加一定的压力，最优的反应条件是指与金属氧化物线条接触的单壁碳纳米管中，金属性单壁碳纳米管被优先去除，而半导体性单壁碳纳米管的结构破坏较小。不同催化剂种类、厚度下，在不同温度、碳源下生长的单壁碳纳米管的本征性能不同，因而最优反应条件也不同，需要针对不同条件下制备的单壁碳纳米管特性筛选最佳反应条件。7、本专利技术将优化条件后获得的全单壁碳纳米管场效应晶体管进行输运性能测试表明，全单壁碳纳米管场效应晶体管的电流开关比达到103或更大，远大于原始单壁碳纳米管构建的场效应晶体管的开关比，小于10。最优条件根据多波长激光拉曼光谱结合扫描电镜表征来确定。附图说明图I为碳热反应及制备全单壁碳纳米管场效应晶体管的示意图。其中，图I (a)为碳热反应选择性刻蚀金属本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种全单壁碳纳米管场效应晶体管，其特征在于：以半导体性单壁碳纳米管作为场效应晶体管沟道，以金属性/半导体性单壁碳纳米管混合物作为源电极或漏电极。
【技术特征摘要】
1.一种全单壁碳纳米管场效应晶体管，其特征在于以半导体性单壁碳纳米管作为场效应晶体管沟道，以金属性/半导体性单壁碳纳米管混合物作为源电极或漏电极。2.按照权利要求I所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，其特征在于，包括如下步骤 (1)利用离子束辅助沉积法在Si/Si02基体上沉积O.02nm-2nm厚的催化剂，所述沉积金属膜后的基体在800-1000°C，在Ar/H2混合气氛中预处理2_20min形成金属纳米粒子，之后利用Ar载碳氢有机物作为碳源，引发单壁碳纳米管的生长； (2)利用光刻技术在Si/Si02基体上沉积具有碳热反应的金属膜，并在200-700°C预氧化得到金属氧化物膜； (3)将带有金属氧化物膜的基体与生长有单壁碳纳米管薄膜的基体相对叠放，施加压力，保证两者之间的紧密贴合；在200-500°C空气气氛中，金属氧化物膜与单壁碳纳米管薄膜接触发生碳热反应5-45min之后将两者分开，经酸洗去除残留的金属氧化物； 单壁碳纳米管薄膜中与金属氧化物膜接触的反应区仅留下半导体性单壁碳纳米管作为场效应晶体管沟道，而沟道以外未受影响的单壁碳纳米管作为源电极或漏电极；从而，获得全单壁碳纳米管场效应晶体管。3.按照权利要求2所述的全单壁碳纳米管场效应晶体管的制备方法，其特征在于，步骤(I)中...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘畅，李世胜，侯鹏翔，成会明，
申请(专利权)人：中国科学院金属研究所，
类型：发明
国别省市：
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