国家纳米科学中心：一种新型的低维材料悬空方法用于晶片级碳纳米管悬空阵列晶体管的制备
2017-08-24 09:28:25
作者：本网整理 来源：材料人
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【引言】
比起接触基底的碳纳米管器件，悬空且拉紧的碳纳米管器件有非常大的优势，特别是在高频振荡器的应用中。因为避免碳管和基底的接触可以有效的抑制电流波动，减小栅压调制电回滞以及增加传感面积等。目前，制备悬空的碳纳米管器件主要有两种方法：第一种是利用电子束曝光和湿法刻蚀的方法实现碳管悬空，缺点是有机胶在碳管表面的残留会影响电子器件的性能。第二种方法是预先在基底上微加工方法做好电极，然后采用原位生长的化学气相沉积法使碳管生长在电极之间实现悬空。尽管这种方法避免了有机胶的影响，但是碳管只是附着在电极表面而且呈松弛的状态。
在晶体管的工业应用中，每一个集体管要求若干碳纳米管平行排列来驱动所需要的电流。国内外很多课题组对于制备大面积高致密度的碳管阵列也有很多进展，有的利用石英基底来生长碳纳米管阵列，有的利用吸附分子的方法实现碳管在沟道中平行排列，然而大面积制备悬空碳纳米管阵列仍然是个挑战。而对于二维材料来说，有方法是用化学气相沉积法联合湿法接触打印来实现大面积二维材料的悬空，然而这些方法都不能使二维材料精确的悬空到预加工的电极上，从而会限制器件的电学测量以及应用。
【成果简介】
近日，国家纳米科学中心的孙连峰研究员和褚卫国研究员（共同通讯作者）等人在Small上发表一篇名为“Wafer-Scale Fabrication of Suspended Single-Walled Carbon Nanotube Arrays by Silver Liquid Dynamics”的文章。该研究用一种新颖、有效而且快速的技术来实现了晶片级单壁碳纳米管悬空阵列的制备，这种技术是利用熔融状态金属银的动态动力使不定向排布的碳纳米管悬空而且平行排列在预加工好的钯电极上，而且非常重要的是碳管不仅悬空而且被拉紧。在4cm2的片子上，超过60, 000, 000根碳管被制备成悬空阵列，密度为10根每微米，几乎所有的碳管都成功悬空。最后，基于这种方法制备了碳纳米管悬空阵列晶体管，展示了其工业应用的潜力。该工作的第一作者是国家纳米科学中心的博士张健和硕士刘思雨（共同第一作者）。
【图文导读】
图1:悬空碳纳米管阵列的制备
（a）碳纳米管悬空阵列制备过程示意图；
（b）器件退火前的SEM照片，对应于过程v；
（c）退火后器件的SEM照片，不定向排布的碳管最后悬空而且平行排布，对于过程vi。
图2:晶片级碳纳米管悬空阵列的制备
（a）晶片级碳纳米管悬空阵列的低倍光学照片；
（b）晶片级碳纳米管悬空阵列的高倍光学照片；
（c）典型的碳纳米管悬空阵列的SEM照片，样片倾斜60度拍照；
（d）沟道宽度和碳管悬空率的对应关系，当宽度为1微米时，碳管悬空率接近100%。
图3:碳纳米管悬空的机理
（a）碳纳米管沉积在金属银膜表面；
（b）高温下，金属银膜形成液态银球并朝着金属钯电极运动；
（c）最终碳管悬空并拉紧；
（d）典型的碳管-银接触的高倍SEM照片；
（e）碳管-银接触的示意图。
图4:典型的悬空碳纳米管阵列器件的电流-电压特性曲线
（a）悬空碳管阵列器件的SEM图；
（b）两端器件的I-V曲线；
（c）栅电压调制的特性曲线；
（d）两端法和四端法的器件电阻比较。
图5:利用电焦耳热方法制备悬空碳管阵列晶体管
（a）利用点焦耳热刻蚀金属管的I-V曲线；
（b）悬空碳管阵列晶体管的典型的特性曲线；
（c）20个悬空碳管阵列晶体管的特性曲线。
【小结】
研究者们巧妙的利用高温退火环境中金属银颗粒的运动来带动碳纳米管悬空并拉紧，而且使不定向的碳管变成了平行阵列。并且制备的悬空碳管阵列晶体管稳定而且高开关比，显示了这种制备技术工业应用的潜力。该技术也为制备二维材料悬空且有应力器件提供了一条可行的方案。
文献链接：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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