[发明专利]单壁碳纳米管轴向能带调控的实现方法

说明书

技术领域

本发明属于纳电子器件技术领域，尤其是一种单壁碳纳米管轴向能带调控的实现方法。

背景技术

单壁碳纳米管具有独特的结构和优异的电学、机械性能，其合成、性质及应用是近二十年来科学界和产业界共同关注的问题。单壁碳纳米管在纳电子器件领域展现出广阔的应用前景，有希望替代硅成为大规模集成电路的核心材料。

单壁碳纳米管的结构决定其能带结构，能带结构又决定其电学、力学等性质，性质又进而决定其应用。可控的获得特定性质的单壁碳纳米管是碳纳米管器件实用化的关键，但至今还没有找到通过生长控制单壁纳米管结构的有效途径。在这种情况下，对生长得到的单壁碳纳米管进行能带调控实现其性质的可控成为研究热点。目前，对单壁碳纳米管进行能带修饰的方法包括：通过气体吸附实现化学掺杂或利用扫描探针显微镜使单壁碳纳米管发生形变。这两种方法将单壁碳纳米管生长和能带调控两个过程分开，化学掺杂的稳定性差，利用扫描探针显微镜操纵效率低、效果不明显，这两种技术都与现行的半导体工艺不兼容，无法高效、快速实现单壁碳纳米管能带的可控调节。

发明内容

针对上述现有技术所存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种单壁碳纳米管轴向能带调控的实现方法。

本发明的上述目的是通过如下的技术方案予以实现的：

一种单壁碳纳米管轴向能带调控的实现方法，其步骤包括：

(1)在SiO₂/Si衬底上构建多个凸起和/或凹陷的微纳结构，形成异质基底；

(2)在衬底的一端采用微接触印刷法沉积催化剂，利用化学气相沉积方法生长超长单壁碳纳米管阵列；

(3)碳纳米管阵列搭在衬底上的微纳结构上，使得碳纳米管的能带结构沿轴向被调控。

步骤1中，在SiO₂/Si衬底上蒸镀金属、半导体或绝缘体的一种或多种，或通过微接触印刷技术沉积分子层，形成凸起微纳结构。

步骤1中，在SiO₂/Si衬底上采用电子束刻蚀、反应离子刻蚀得到的凹槽，形成凹陷的微纳结构。

步骤1之后，在SiO₂/Si衬底上刻蚀得到的凹槽中可填充金属、半导体或绝缘体材料。

步骤2中，在碳纳米管生长过程中施加一气流，气流的方向与微纳结构垂直。即碳纳米管从催化剂中长出之后在空中漂浮，气流的作用使得其生长方向与微纳结构垂直，气流停止后碳纳米管落在异质基底上并垂直搭在微纳结构上。利用气流定向作用生长得到的单壁碳纳米管阵列长度可达厘米级。

通过异质基底沿管轴方向调控单壁碳纳米管能带结构的基本原理为：异质的微纳结构与碳纳米管之间存在范德华力、化学键和电荷转移等作用，会导致碳纳米管发生径向形变、以及由部分电荷转移引起的化学掺杂效应，从而使得碳纳米管的局域能带结构被调制。不同的微纳结构与碳纳米管的相互作用不同，对碳纳米管能带的调制作用也会不同。其中，金属与碳纳米管之间存在比较强的电荷转移作用，高功函数的金属会给碳纳米管电子使之变为p型，低功函数的金属会从碳纳米管接受电子使之变为n型；半导体材料与碳纳米管之间的电荷转移作用较弱，与碳纳米管之间主要作用力为化学键及范德华力；绝缘体材料与碳纳米管之间不存在电荷转移作用，主要存在化学键及范德华力。适当设计调控材料和条块位置，即可沿管轴方向对碳纳米管的能带结构进行不同幅度的调控。

本发明的优点：

通过在异质基底上生长超长定向的单壁碳纳米管，实现沿管轴方向对单壁碳纳米管进行分段的能带调控。这种调控方法将单壁碳纳米管的生长与能带调控合为一体，通过合理的异质基底调控可以实现大量碳纳米管轴向能带的设计。由于生长得到的是超长单壁碳纳米管阵列，可以沿单根管获得具有不同能带结构的多个管段。这种调控方式高效、可控、可设计性强，同时也与现行的半导体工艺相兼容，适用于大规模集成电路制造业。这一发明为碳纳米管在纳电子器件领域实用化提供了重要的基础。

附图说明

图1是本发明一种单壁碳纳米管轴向能带调控方法流程的示意图；其中，图1(a)示意的是通过微纳加工技术制备得到的异质基底；图1(b)示意的是在图1(a)所示的异质基底上沉积催化剂；图1(c)示意的是生长得到的超长定向的单壁碳纳米管阵列搭在异质基底上。

图中：1-二氧化硅衬底；2、3、4、5分别表示不同微纳结构；6-催化剂层；7-超长定向单壁碳纳米管阵列。

图2(a)是在Pt-SiO₂异质基底上制备得到的单壁碳纳米管场效应晶体管阵列的扫描电镜图。