[发明专利]替位式掺杂原子尺度二极管

说明书

本发明公开了一种替位式掺杂原子尺度二极管、制备方法和应用领域。该原子尺度二极管是在半导体性质的碳基材料(半导体碳纳米管或半导体石墨烯纳米带)上，采用SPM和单离子注入技术替位式掺杂三族和五族元素，形成大小为原子尺度的二极管，可用于在原子尺度上制备大规模集成电路。

一、技术领域

本发明涉及微电子领域和纳米电子领域向更小尺度(原子尺度)领域延伸的二极管、制备方法和应用。

二、背景技术

随着器件尺寸的缩小，微电子工业正在逼近其物理极限，对应的预示微电子工业发展步伐的摩尔定律也随之失效。人们竭尽全力发展纳米电子科学技术，但是收效甚微，以至于在今年初，建议世界电子工业转向智能制造的呼声渐起。人们主要研究纳米尺度和分子尺度的导线与器件，所得的纳米与分子尺度导线与器件性能及稳定性差，难以重复，原子尺度的导线与器件很少有人研究。我们致力于研究纳米尺度以下的原子尺度二极管，目前原子尺度的二极管还没有人研制出，最接近的技术为分子尺度的二极管，但是这种分子尺度的二极管不具有单向导电性，整流比等性能差，不稳定，可重复性差，不能自支撑。

三、发明内容

本发明提供一种替位式掺杂原子尺度二极管、制备方法和应用领域。这种原子尺度二极管，比纳米与分子尺度二极管尺寸更小，具有单向导电性，性能与稳定性好，容易重复制备，能自支撑。

为实现上述目的，本发明的替位式掺杂原子尺度二极管是为了用于在原子尺度(一至几十原子大小)制备集成电路，该尺度集成电路制备需要原子尺度的器件，一种最主要的器件就是原子尺度二极管；技术方案是在半导体性质的碳基材料(半导体碳纳米管或半导体石墨烯纳米带)上，分别先后替位式掺杂三族和五族元素原子，或分别先后替位式掺杂五族和三族元素原子，形成大小为原子尺度的二极管；在上述碳基材料中，替位式掺杂原子沿着碳纳米管管轴或石墨烯纳米带纵向，在平行纵向对称轴的相邻1～5排晶列上每一晶胞内特定几个格点上，分别先掺杂若干个(1～20个)一种原子(三族或五族元素原子)再掺杂若干个(1～20个)另一种原子(五族或三族元素原子)形成原子尺度二极管(几原子宽度)。

上面所述的替位式掺杂原子尺度二极管，其中碳基材料是指具有半导体性质的碳纳米管或半导体性质的石墨烯纳米带，该石墨烯纳米带可以是边缘裸露的，或边缘碳原子被氢化(一个氢原子或二个氢原子)，或边缘碳原子被不同基团(包括氢原子、羟基、酮基、氢和羟基共同饱和)修饰，或一块石墨烯上被氢原子、或氟原子、或氧原子吸附成键而分隔出的石墨烯纳米带。

所述的替位式掺杂原子尺度二极管，所用掺杂原子可以是氮、磷或硼原子，半导体性质的碳纳米管可以是(8，0)碳纳米管，半导体石墨烯纳米带可以是扶手椅型的石墨烯纳米带。

一种制备替位式掺杂原子尺度二极管的方法，要在半导体性质的碳基材料(半导体碳纳米管或半导体石墨烯纳米带)上实现定点掺杂，必然要在原子水平操纵原子，采用SPM和单离子注入技术在特定格点去除一个碳原子和添加一个掺杂原子；用SPM施加一个电脉冲，将指定格点上的碳原子吸附，并搬运走，然后再吸附并搬运一个掺杂原子来到该指定格点，通过施加一个电脉冲将该掺杂原子填入该指定格点；用单离子注入技术直接在指定格点将掺杂离子注入，用注入的掺杂离子轰击和替代碳原子；沿碳纳米管管轴或石墨烯纳米带纵向，分别先掺杂若干个(1～20个)一种原子(三族或五族元素原子)再掺杂若干个(1～20个)另一种原子(五族或三族元素原子)，用掺杂原子替换特定格点碳原子，采用软件程序控制SPM探针和单离子注入沿纵向的移动来实现。

一种替位式掺杂原子尺度二极管的用途，在半导体性质的碳基材料(半导体碳纳米管或半导体石墨烯纳米带)上，替位式掺杂三族和五族元素，形成宽度为原子量级的二极管；该原子尺度的二极管作为原子尺度的电子器件，可用来制备原子量级线程的大规模集成电路。

四、附图说明

图1是(8，0)单壁碳纳米管(central scattering region)上掺杂硼和氮原子的示意图。