[发明专利]一种碳纳米管的修饰方法和碳纳米管电子器件的制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种碳纳米管的修饰方法，经过本发明方法修饰后的碳纳米管可在光学显微镜下识别，本发明还涉及一种碳纳米管电子器件的制造方法，属于碳纳米管的研究和应用领域。

背景技术

最近几十年来，电子技术突飞猛进，其中电子器件的不断小型化和集成化使得电路密度越来越高、计算速度越来越快、功能越来越强大。但是目前硅基器件的发展已经到了它的极限，诸多科学和技术问题使得硅基器件很难再往前发展。基于碳纳米管的电子器件可以在现有硅技术的基础上方便的使电子器件更加小型化和集成化。

碳纳米管是20世纪90年代发现的一种新型碳纳米材料，其结构可以看成是由平面石墨烯沿一定的手性矢方向卷曲而成的无缝管。由于这种独特的结构，碳纳米管具有优异的机械、力学、电子、光学、热学和储能等性能，引起了很大关注，在材料、电子、化工、机械、能源等各个领域具有潜在的应用。

由于碳纳米管具有极小的尺寸和高度对称性的结构，它能表现出显著的量子效应以及电子学、磁学和晶格特性。早期的理论计算和之后的实验测量都证实了碳纳米管诸多优异的电子学性质，如单壁碳纳米管、单壁碳纳米管管束和多壁碳纳米管的量子线特性以及单壁碳纳米管的金属和半导体特征。独特的电学性质使其在纳米电子学领域引起了巨大的研究兴趣。如人们已经利用单根半导体单壁碳纳米管制造出晶体管、存储器、逻辑器件、场发射器件等纳电子器件。这些纳电子器件的神奇特性在于其更高的迁移率和更强的场效应。碳纳米管的电导是量子化的，其导电机理是弹道输运，不耗散热量。碳纳米管量子电导比典型的室温工作的量子电导器件的尺寸和稳定性高几个数量级，而且碳纳米管同很多分子相互作用后，其电学性质会发生变化，因而碳纳米管还可以用做检测这些分子的传感器。此外，碳纳米管优异的电子学性质同碳纳米管的力学、化学、生物学、热、磁相互作用结合，派生出优异的机电、电化学、热电以及电磁性质，从而进一步拓展了碳纳米管的应用领域，如致动器、电池、燃料电池、电容器、高频微波器件等。

单根单壁碳纳米管根据其结构的不同可以是半导体型或金属型的。通常半导体管被用于制作金属-半导体二极管、pn结二极管和场效应晶体管。而金属管则被用于制作单电子隧穿晶体管。由半导体型单壁碳纳米管制得的场效应晶体管具有显著的栅极调制效应。例如将碳纳米管放在表面氧化的硅基底上，采用背栅极结构，将源极和漏极(金属)压在碳纳米管的两端。当漏电压固定时，漏电流显著依赖于栅压，这就是栅极调控引起的信号增益。而对于金属型单壁碳纳米管制作的单电子隧穿晶体管，由于碳纳米管直径很小，当其与电极接触时，不需要特别的微加工，接触部分的面积就很小，因此电容很小，这就是金属型单壁碳纳米管在单电子隧穿晶体管器件应用方面的最大优点。此外，金属型单壁碳纳米管还可用作纳米尺度的导线。

综上所述，纳米碳管作为目前强度最高、直径最细的一维纳米碳材料，具有独特的电子学性能，可用于制作晶体管、存储器、逻辑器件、场发射器件、传感器等电子器件，具有广泛的应用范围和极具潜力的应用前景。

目前，构筑碳纳米管电子器件的通常需要以下步骤：首先，通过微加工的方法在基底上做上标记。然后，借助扫描电子显微镜(SEM)或者原子力显微镜(AFM)寻找碳管并利用标记进行定位。最后，再通过微加工的方法在目标位置上构造金属电极。这个方法除了需要SEM或AFM这些比较昂贵的设备外，最为复杂的过程是需要两步微加工的过程。微加工过程除了需要昂贵的设备和需要在超净间中操作之外，步骤还相当繁琐，例如常用的光刻过程就包含涂光刻胶、前烘、对版、曝光、显影、坚膜、刻蚀、去胶等多步过程。除了光刻之外，科研人员还经常采用电子束刻蚀和电子束蒸发的微加工手段在目标位置上构造金属电极，这更需要昂贵的设备。而且同样需要涂胶、刻蚀、蒸发、去胶等多步过程。总之，目前构筑碳纳米管电子器件的通用方法具有设备复杂、昂贵、操作复杂、耗时长等诸多缺点。而且构筑过程中使用的光刻胶等抗刻蚀剂对碳管的性质可能会有影响。

因此，开发一种无需昂贵设备、无需抗刻蚀剂、操作简便的碳纳米管电子器件的构造方法将会大大推动碳纳米管的性质研究及碳纳米管电子器件的应用。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在缺陷，提供一种碳纳米管的修饰方法以便可以在光学显微镜下识别碳纳米管，以及该方法在制备碳纳米管电子器件上的应用。