碳纳米管多沟道场效应晶体管研究

碳纳米管多沟道场效应晶体管研究 上海交通大学 博士学位论文碳纳米管多沟道场效应晶体管研究 姓名:陈长鑫 申请学位级别:博士 专业:微电子学与固体电子学 指导教师:张亚非 20070601 中文摘要 碳纳米管多沟道场效应晶体管研究 摘要 碳纳米管(,,,)因其独特的一维纳米结构和优异的电学性能有望成为下一代集成电路的构筑材料。在已有的研究报道中，单根的,,,已被用作导电沟道来制作碳纳米管场效应晶体管(,,,,,,,。但这种结构的,,,,,’,存在着输出电流和跨导很有限、器件可靠性和产率低、器件栅宽无法横向缩放等不足。另一方面，在,,,,,,中,,,与金属电极间的接触扮演着至关重要的作用，接触好坏将直接影响制得的器件性能。然而，,,,与电极间牢固、良好的电接触的形成仍是目前,,,,,,制饱中的一个难点。 本论文提出了一种使用分散、定向的单壁碳纳米管(,,,,,)阵死作为导电沟道的多沟道,,,,,,(,,(,,唧,)，其中,,,卜『(,沟道两端被纳米焊接到金属电极上，有效地解决了上述,,,,,,制作中存在的关键问题。论文对,,(,,,,,,的制作工艺、器件性能、,盯沟道数的影响等进行了深入系统的研究，并将其与单沟道,,,,,,(,,(,叮聊)进行了对比。在本文中，,,(,,,,,,通过如下的一套工艺来制作:首先，对,,,,,进行纯化和表面功能化可溶性修饰;然后，利用交变电场定向排布技术对预修饰后的,,,,,进行排布，使其形成分散、定向的,,,,, ， 中文摘要阵列以作为,,,,,,的沟道;接着，使用一种超声纳米焊接技术对,,,,,与金属电极进行键合，使,,,,,与金属电极间形成牢固、低电阻的接触;最后，通过烧断法将阵列中的金属性的,,,仃烧断而保留半导体性的,,,,,，形成高性能的,,(,,,,,,。论文还探索了不同金属接触电极对,,(,,,,,,特性的影响，以及使用高、低功函数的金属分别作为连接,,,,,的漏极和源极时的器件性能。在此基础上，构筑了电阻负载反相门、或非门、与非门和互补逻辑倒相器等多种基本逻辑门电路。 通过表面功能化预修饰，可使,,,,,在多种有机溶剂中形成稳定、分散的溶液。对预修饰后的,,,,,进行交变电场双向电泳排布，可避免,,,,,间的互相缠结，使,,,,,分散、定向地排列于源漏电极间形成,,,,,阵列。,,,,,的排布密度可通过控制交变电场的参数来调节。制成的,,(,,,,,,较,,(,,,,,,不仅在输出电流和跨导等关键器件性能上有很大提高，而且具有更高的器件的可靠性和产率。当,,,,,阵列中的,,,,,排列密度不是很高时，,,(,,,,,,的跨导与,,,,,沟道数大致成正比关系，这提供了一种通过控制,,,,,沟道数来线性地调控,叮,强跨导的方法。 论文创建了一种超声纳米焊接技术对,,,,,和金属电极进行键合以改善,,,,,和金属电极间的接触性能。纳米焊接使,,,,,与金属电极间形成了可靠、低电阻的接触，焊接后半导体性,,,,,与金属电极接触处在开态时具有很小的有效,;,,,,,,势垒高度和宽度。超声纳米 ? 中文摘要焊接也使制得的,,,,,,的器件性能被很大地改善，对于被焊接的背栅,,(,,,,,,其开态电流和跨导可分别达到,,(, ,,,和,(,茚，器件也显示了良好的开关特性。通过使用,,,探针拨动焊接后的,,,,,，我们也证实了焊接后,,,,,与金属电极间的键合具有良好的机械强度。 使用金属,,、,,、,,与,,,,,接触时，制得的,,(,,,,,,呈现,型特性，而使用舢作为接触金属时，,,(,,,,,,呈现,型特性。这是因为上述两类金属分别具 有高的和低的功函数，它们分别与,,,,,形成,型和,型的肖特基势垒接触。利用该特性，我们将,,和舢分别作为连接,,,,,的漏极和源极，首次制得了金属(,),,,,,,,金属(,)结构的,,,,,太阳能光伏电池，显示了高的开路电压和功率转换效率。 制得的,,(,,,,,,显示了在需要高跨导或者开关大电流的应用场合具有大的潜力。将高性能的,,,,,,,,,与负载电阻相连接，可成功构筑包括电阻负载反相器、或非门、与非门等多种基本逻辑门电路。通过将,型和,,型的,,(,,,,,,相连，我们也制得了,,,互补逻辑倒相器，其增益可达,,(,。关键词:碳纳米管场效应晶体管，多沟道，表面功能化修饰，定向排布，超声纳米焊接 , 英文摘要 ,,,,, ,, ,,,,,,(,,,,,,,, ,，?,，,,,,,,,, ,,,,,:,,, ,,, ,, ,,,,, ,,,？,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,;,,,; 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,,层映射到,,, 意图 ,,,,,, ,, ,,,,,, ,,, ,,,,,, ,,;,,, ,,, ,,, ,,,;,,,,，,,,,,, ,,, ;,,,,, ,,,,,, ;,,,,;,,,,,,,,,,价的口取值在,,,,。之间。,,,。的,,,管轴与一组;—,键平行，由于沿周长方向碳键排列的方式类似于锯齿(,,,,,,)，常称为。锯齿型”,,,，标记为(,，,);占,,,。的,,,被称为。扶手椅”(,,,;,,,,)型,,,。其中有垂直于管轴的,—;键，标记为(,，,);当,,口,,,。时，管壁上没有碳一碳原子键平行或垂直于,,,的轴线方向，而是具有一定的螺旋角，我们称以这种方式捧列所形成的,,,具有“手性”,,(,〕,对应的,,,的管径,与螺旋角口都可由(,，,)求出，它们问的关系分别为【,】: , 上海交通大学博士学位论文 ,,,,?,压,。(,,，,,，,,),彪，靠 ,(, ,,,,,【以,,(,，,,)〕， ,(,其中‰为石墨烯片上的碳碳键长。对于,,,,,。由于是由多层石墨烯组成，则需要三个以上的参数来表示其结构。对,,,来说，其几何结构即手性和直径是很重要的，因为它们决定着,,,的特性。在电学特性方面，手性和直径(亦即(,，,))决定了,,,是金属性还是半导体性。 实际的,,,并不总是具有理想的完整的碳原子六元环网格的柱状结构。由于生长条件的差别，所得到的,,,的结构、质量、长度、形状都会有很大的区别。它可能形成类似于转轴的结构，而非完整闭合的由同轴柱面形成。在管壁上存在有一定数量的拓扑类缺陷、再次杂化的缺陷和不完整键等。其中拓扑类缺陷是由非六元的碳环，如五元环、七元环的存在而造成的,,,外形的畸变。这些缺陷在高温下易被氧化，如果缺陷较多，就容易导致整个,,,的破坏。 (,),,,的物性和应用 ;,,的结构决定了其具有许多独特的性能，如尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点。金 属性,,,的电导率和最大电流密度可达到或超过现有最好的金属，半导体性,,,的迁移率和跨导可达到或超过现有最好的半导体。【,?,,其优异的性能使其在新型纳电子器件、储能器件、电极材料、 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 材料、催化、吸附分离等诸多领域中有着重要应用前景。现将其主要的物性及对应的应用列于表，,,中‘,，,,,。，。,(, ,,,的电子能带结构 在,,,,,中，电子波函数在径向方向会受到单原子层的限制‘,,。,,:在圆周上，由于,,,,,具有螺旋对称性，周期性边界条件可应用到实空间，组成,,,的单胞。,,,,,在轴向的可能电子态有无限多，而在径向则有限。因此，可通过石墨烯(单层石墨片层)电子结构的弯曲来计算,,,,,的电子结构。使用紧束缚近似，二维分布的石墨烯的能带结构可表示为 , 上海交通大学博士学位论文 表,,, ,,,的主要物性及应用 ,,,,, ,,, ,,,, ,,,,,,,,,, ,,, ,,,,,;,,,,, ,,, ,,,,物性分类 具体物性 应用 既可表现为金属性，又可表现为半导体 二级管、场效应管、单电子 性;电子在,,,中可实现弹道传输(无 晶体管、 很大的通流能力，可承受的最大电流密 功率电子器集成电路互连线 散射电学性能 件 度可达(,,,,,止,, 电流传输具有螺旋效应 电磁波吸收材料、电磁屏蔽 材料 优异的场发射性能 场发射器件、平面显示器 金属性和半导体性随磁场强度作周期性 电磁开关磁学性能 振荡 通过金属性,,,的磁通量表现为量子化 新型电子元器件 比重为钢的,，,。强度为钢的,,,倍，杨氏 增强材料、复合材料、耐磨 模量可达,,,,,,,，比金刚石高好几倍 材料力学性能 通过材料响应，可将电能转化为机械能 微型换能器、纳米镊子、 ,,,,,,,探针 具有高弹性，高的韧性 电子探针、扫描电镜探针 具有良好的分子吸附能力 储气、储能材料 ,,,,，,，、比表面积大(,,,,,,,,,)、表 催化剂及其载体物化性能 面的活性位置多 纳米尺度的空腔可限域化学反应 合成纳米材料的 模板 个人简介word模板免费下载关于员工迟到处罚通告模板康奈尔office模板下载康奈尔 笔记本 模板 下载软件方案模板免费下载 , 上海交通大学博士学位论文 ,,, 扇,【,，,),士知其中，,为邻近重叠积分(,,,,,,,(,,,,,,,, ,,,,,,, ,,,,,,,,)，其实验拟合的数值为,(,,,【,,,;,为石墨烯中单位矢量的长度:,。，,，为波矢,在,、,轴上的投影(【,,】图,(,为石墨烯电子能量色散与六方布里渊区二维波矢,的关系曲线。插图以及右图上部曲线是,’键，下半部分是?键。上部?‘键和下半部分是?键相交,点并通过费米能级。在石墨烯的每个单胞中形成两个?电子，占据了较低能级的耳轨道。计算表明石墨烯价带和导带相交于费米能级处，在费米能级处态密度为零，故石墨烯是能隙为零的半导体。有趣的是，三维的石墨是半金属性的，这是由于三维石墨是由由石墨烯按,,,,堆叠成的，单位晶胞中有,、,两层并且石墨烯面间存在相互作用，,、?’带分裂成两个，相互问在费米能级处有,(,,,,的重叠，从而产生相同数目、成为传导载流子的电子和空穴。〔,,,但由这导致的费米态密度是很低的，载流子密度在,×,,,,个，;,,左右。 图,,,在整个布里渊区内石墨烯“和,‘能带的能量色散关系 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,, ,,, ,,,?‘,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,( 在,,,,,中，由于圆周方向可满足天然的周期性边界条件,,,,,,,，故波矢与其螺旋向量存在如下关系: ,?,,,印， ,—,,为任意整数。从这个关系可知，,,,,,的电子波函数的波矢在石墨烯布 里渊区 , 上海交通大学博士学位论文中沿豆方向上只能取一系列分离的数值(如图,,,)，即,,,,,具有一维的布里渊区【,,】。其布里渊区的大小就是二维石墨布里渊区中沿丘的片段，其扩展布里渊区的长度为，霞:,的,个波矢段的集合，每一段被叠波矢分开。这样，通过把石墨烯二维色散关系中的,个波矢段折叠到一维,,,,,的第一布里渊区内，就可得到,,,,,的,个电子能带的一维电子色散关系。当,,?为,的整数倍时。在第一布里渊区的角上有电子态波矢穿过〔如图,,,(,)所示〕，为金属性的;而当,—,不是,的整数倍时。在第一布里渊区角上没有波矢穿过〔如图卜,(,)所示】，为半导体性的。因此，螺旋角为,,。的扶手型,,,全为金属性，而大.