论文部分内容阅读
单壁碳纳米管(SWNTs)完美的一维结构赋予了它优异的电学性能。基于单壁碳纳米管的一系列高性能原型器件展示了碳纳米管在未来纳电子器件领域广阔的应用前景。然而，碳纳米管器件的实用化还面临诸多挑战，如器件加工、手性控制以及器件集成等。建立一套高效可控的方法制备碳纳米管器件单元，对制备得到的器件进行性能调控并将器件单元高度集成是碳纳米管器件实用化的关键。本论文正是以碳纳米管器件的可控制备和集成为目标，建立了纳米转移印刷技术以及负型纳米压印技术，发展了可控制备和调控碳纳米管晶体管的一系列方法，提出了基于纳米转移印刷技术的器件集成新思路并实现了初步的碳纳米管器件集成。
本论文主要包括以下四个部分：
1.建立了纳米转移印刷技术以及负型纳米压印技术。纳米转移印刷技术是利用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)薄膜作为媒介将各种纳米材料可控的转移放置到其它基底的一项通用技术。这一技术具有可控性、忠实性、普适性和可多次转移等特点。利用这一技术转移了碳纳米管、纳米线以及金属纳米结构等；实现了特定手性的单根碳管的定点转移；得到了高密度的碳管交叉阵列以及碳管一氧化锌异质交叉结构；构建了硅-自组装膜-碳管以及金属-自组装膜-金属等三明治结构；通过在转移过程中对PMMA膜进行宏观操纵实现了对碳管形貌的控制。这一技术为复杂器件的构建以及碳纳米管器件集成提供了新的技术基础。负型纳米压印技术是一项高效率、高分辨、低成本制备金属电极结构的纳米加工技术。利用这一技术制备得到了不同尺寸的金属纳米结构、双金属纳米结构以及微纳结合的金属电极结构，加工的最小尺寸可达80nm。
2.发展了可控制备碳纳米管晶体管的几种方法。发展了催化剂定点生长法、标记定位法，建立了直接生长法和定点转移法，利用这几种方法可控制备了碳纳米管晶体管，比较了几种方法的优点和不足，分析了每种方法适用的范围。利用制备得到的晶体管结构研究了碳纳米管分子内结的输运特性、碳管-电极的接触电阻以及碳管输运性质与长度的关系。除此之外，还在柔性基底上制备得到了碳纳米管晶体管。
3.建立了基于AFM技术的碳纳米管晶体管性能调控方法。利用AFM氧化技术对碳管进行定点修饰进而改变碳管的电阻。通过AFM操纵技术对碳管与电极的接触势垒进行了调控，揭示了碳管-电极的接触状态以及接触长度对碳管晶体管性能的影响，通过调制碳管与电极的接触势垒得到了具有104整流比的碳纳米管二极管。比较了不同分子对碳管晶体管，n型掺杂的效果，利用不同偶极矩方向的分子对电极进行修饰，优化了晶体管的性能。
4.提出了基于纳米转移印刷技术的碳纳米管器件集成的新思路。这一思路的基本策略是首先根据电路设计制备电极结构，然后利用转移印刷技术将所需要的特定性质的碳管逐一定点放置到电路结构上。基于这一集成思路我们制备得到了金属.半导体管交叉器件，构建了金属管作为互联导线、半导体管作为通道的全碳管晶体管，获得了由n型晶体管和p型晶体管构成的反相器，证明了这一思路应用在碳纳米管器件集成上的可行性。