碳基纳米材料(碳纳米管和石墨烯),其独特的分子和电子结构,决定了它们具有非常优异的电学和热学特性,如高的电导率和热导率,大的平均自由程等。这些优异的性能使它们在纳电子器件及集成方面具有潜在的应用前景。近年来,基于碳基纳米材料的纳电子器件和集成的研究取得了重要进展,但其实用化仍面临诸多挑战,亟需解决器件和集成的关键技术问题。鉴于此背景,本论文从材料、表征、器件和互连结构等方面,系统研究和探索了碳基纳电子器件及互连中的关键技术。主要工作、结果和创新点如下:　　利用电弧放电和化学气相沉积(CVD)方法成功合成了高质量的单壁碳纳米管管束和定向排列的单壁碳纳米管阵列,对低温合成碳纳米管的技术进行了探索,在500℃下成功合成了碳纳米管;通过机械剥离和CVD等方法成功制备了厘米尺度的石墨烯,研究了石墨烯的结构和形貌特征及其生长机理,并将CVD方法合成的大面积石墨烯薄膜成功转移到至SiO2/Si表面。高质量的碳纳米管和石墨烯为本论文的器件和互连研究奠定了材料基础。　　研究了碳基纳电子器件制备的关键问题。针对碳基材料与金属电极之间的接触问题,提出利用金纳米颗粒局部修饰的方法来降低接触电阻,其降幅最高可达3个数量级;针对碳基材料的图形化问题,提出利用导电原子力显微镜实现纳米加工的方法,最小线宽可达14nm,通过该方法,并结合光刻技术,可获得设计器件所需的各种图形;针对栅介质薄膜的均匀性问题,采用电子束蒸发钇金属,热氧化形成氧化钇的方法,实现了高质量的栅介质,为器件研究奠定了栅介质制备基础。　　研究了栅氧介质沉积和氧等离子体轰击对石墨烯晶体管特性的影响规律。发现钇沉积会使石墨烯中载流子迁移率增大,并产生n型掺杂;在将钇氧化为氧化钇后,载流子迁移率减小;发现图形化过程中的氧等离子体轰击可使石墨烯的两端电导逐渐减小,并呈现n型掺杂。　　研制了基于回滞效应的碳基存储器件,考察了其编程和擦除特性。研究发现基于回滞的碳纳米管存储器的开关比高,读写速度可在毫秒量级,经过6×104次读写操作后,开关比仍维持在2左右。而基于回滞的石墨烯存储器的开/关两状态不稳定、开关比小,其性能和机理尚需进一步优化和研究。　　提出室温下基于介电电泳的碳纳米管通孔互连结构的制备技术,实验结果表明该方法有效可靠,成功率可达90％以上,且与硅基工艺兼容;碳纳米管通孔的两端电阻小于100kΩ(占所有测试样品88％);为降低接触电阻,提出利用退火或金属纳米颗粒修饰的技术,接触电阻的降幅最高可达三个数量级。　　首次提出将石墨烯应用于扩散阻挡层和金属互连线覆盖层的设想,并通过实验验证了它们的可行性。