專(zhuān)利名稱(chēng)：利用調(diào)制的復(fù)合一維納米材料制備單電子器件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于納電子學(xué)和納電子器件領(lǐng)域，具體為利用調(diào)制的復(fù)合一維納米材料制備單電子器件，并提高工作溫度到室溫或更高的方法。
背景技術(shù)：
納電子學(xué)器件的研究是當(dāng)今納米科學(xué)技術(shù)最為重要的領(lǐng)域，而單電子器件由于其能耗小，無(wú)散熱等優(yōu)點(diǎn)而成為納電子學(xué)器件的重要發(fā)展方向(K.Likharev，Proc.IEEE，80，60(1999).)。
目前單電子器件研究的關(guān)鍵在于如何提高其工作溫度。單電子器件的工作溫度可以通過(guò)其“庫(kù)侖島”的充電能EC＝e2/2C來(lái)估算，要求EC>>KBT(T為工作溫度)。其中最為關(guān)鍵的參數(shù)是有效電容C。有效電容C越小其充電能EC越高，工作溫度也就越高。構(gòu)建高工作溫度單電子器件的關(guān)鍵在于減小其有效電容。
碳納米管由于其優(yōu)異的物理性能和納米尺寸的管徑而成為制備單電子器件的理想材料。但是如何在碳納米管上得到管軸方向也很小的“庫(kù)侖島”仍是一個(gè)難題。2001年荷蘭Delft大學(xué)Dekker研究組通過(guò)在一根較長(zhǎng)(微米數(shù)量級(jí))的碳管上用原子力顯微鏡人為地引入2個(gè)缺陷得到了由一段孤立的碳納米管線段(25納米長(zhǎng))構(gòu)成的“庫(kù)侖島”，實(shí)現(xiàn)了單電子器件工作溫度的室溫化(H.W. Postma，T.Teepen，Z.Yao，M.Grifoni and C.Dekker，Nature，293，76(2001).)。但此種方法無(wú)法用于大規(guī)模的生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出了利用有調(diào)制結(jié)構(gòu)的一維復(fù)合納米材料制備單電子器件的思想。通過(guò)在納米管的制備過(guò)程中控制地引入勢(shì)壘從而改變納米管的電學(xué)性質(zhì)，以此實(shí)現(xiàn)單電子器件所需的納米尺寸庫(kù)侖島；通過(guò)調(diào)節(jié)勢(shì)壘的間距，控制由此制備的單電子器件的工作溫度。
本發(fā)明提供了一種簡(jiǎn)便可行的制備單電子器件的方法。不僅可使器件的工作溫度提高到室溫或者更高，而且該方法可以適用于實(shí)用化的生產(chǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是利用化學(xué)氣相沉積方法(簡(jiǎn)稱(chēng)CVD方法)制備碳納米管，在納米碳管生長(zhǎng)過(guò)程中引入原子團(tuán)簇到納米碳管內(nèi)部。這些原子團(tuán)簇和碳管相互作用形成局域勢(shì)壘。每?jī)蓚€(gè)局域位壘之間的碳管都可視為孤立的庫(kù)侖島。用傳統(tǒng)微電子方法結(jié)合聚焦離子束或電子束曝光等納米加工手段制造單電子器件。通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)過(guò)程的控制調(diào)節(jié)碳納米管中團(tuán)簇的間距來(lái)控制庫(kù)侖島的大小，從而控制器件的工作溫度。器件的工作溫度可被提高到室溫。
本發(fā)明提出的用有調(diào)制結(jié)構(gòu)的一維復(fù)合納米材料構(gòu)建庫(kù)侖島實(shí)現(xiàn)室溫單電子器件的方法較前人的用原子力顯微鏡針尖對(duì)納米碳管加工的方法簡(jiǎn)便易行，可同時(shí)制備大量器件，可以用于大量生產(chǎn)。通過(guò)控制勢(shì)壘間距控制庫(kù)侖島的大小并控制單電子器件的工作溫度，可控性高。


圖1為本發(fā)明方法制備的有調(diào)制的復(fù)合納米碳管的低倍形貌像。
圖2為本發(fā)明方法制備的有調(diào)制的復(fù)合納米碳管的高倍像。
圖3為本發(fā)明方法制備的單電子器件的電極的垂直結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為本發(fā)明方法制備的單電子器件的納米電極和碳管的顯微照片。
圖5為本發(fā)明方法制備的單電子器件的伏安特性。
圖5(a)是4.8K下的測(cè)量結(jié)果。
圖5(b)是室溫下的測(cè)量結(jié)果。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1用CVD方法制備碳納米管，在其生長(zhǎng)過(guò)程中定時(shí)提供過(guò)量的鐵形成局域勢(shì)壘，用微電子技術(shù)制備電極，結(jié)合聚焦離子束或電子束曝光等納米加工手段，最終構(gòu)成單電子器件。具體步驟如下(1)用CVD方法制備碳納米管，在其生長(zhǎng)過(guò)程中定時(shí)提供過(guò)量的鐵，得到填充了Fe顆粒的碳納米管。具體過(guò)程為a、20mm2硅片(表面為二氧化硅)在無(wú)水乙醇中超聲清洗30分鐘，烘干、擦凈。
b、在CVD爐中，在300℃溫度段放置一長(zhǎng)6厘米的空石英舟，在與其相距18厘米處的875℃溫度區(qū)放置第二個(gè)石英舟，舟內(nèi)裝載上述硅片。
c、把0.08克酞氰鐵或二茂鐵溶解在300毫升左右的芳香類(lèi)有機(jī)溶劑中，如二甲苯。
d、按照15℃/min速度升溫CVD爐，同時(shí)通氣體，用量為氬氣80sccm，氫氣65sccm；到達(dá)900℃后，控制時(shí)間和計(jì)量地注射溶有酞氰鐵或二茂鐵的溶液入爐，一定要滴在第一個(gè)石英舟內(nèi)，觀察到上一次的反應(yīng)物徹底消耗后方可進(jìn)行下一次注射。
e、反應(yīng)完畢后，繼續(xù)通氬氣直到冷卻。
參見(jiàn)附圖所示，圖1為通過(guò)CVD法制備的有調(diào)制的復(fù)合納米碳管的低倍形貌像，圖2為有調(diào)制的復(fù)合納米碳管的高倍像，圖中標(biāo)尺為50納米。從圖2中清晰可見(jiàn)納米碳管中填充的鐵顆粒(圖中顯示深色部分)。
(2)利用微電子光刻技術(shù)在200納米厚的氧化硅(下面是硅基底)上制備間距100納米到1微米，線寬100到300納米的電極。電極由硅鋁合金制成。納米電極與毫米或亞毫米尺度的接線點(diǎn)也同時(shí)利用微電子光刻技術(shù)做好。
(3)將碳納米管在二氯乙烷中超聲分散后滴灑組裝到電極上，通過(guò)控制滴灑的溶液濃度和溶液量控制電極上碳管的數(shù)目。用掃描電鏡或原子力顯微鏡檢查組裝情況，如果直接組裝的結(jié)構(gòu)不夠理想，可用聚焦離子束工作站或電子束曝光機(jī)等納米加工手段進(jìn)一步加工和改造。具體加工、改造可以是將多余的納米管或電極切斷，將沒(méi)有搭在電極上的納米管用鍍納米尺寸的金屬線的方法與電極連接，將接觸不夠好的地方加鍍金屬使接觸良好。最終構(gòu)成單電子器件。
(4)用低溫臺(tái)和半導(dǎo)體測(cè)試儀測(cè)量單電子器件的特性和工作溫度。
測(cè)量表明本發(fā)明方法制備的器件在4.8K下電流-電壓曲線出現(xiàn)明顯的單電子效應(yīng)的平臺(tái)。隨著溫度的升高，臺(tái)階變窄，直到273K臺(tái)階仍然存在。表明該單電子器件的工作溫度可以高達(dá)273K，即室溫。
圖3所示說(shuō)明本發(fā)明方法制備的單電子器件電極的垂直結(jié)構(gòu)?；诪楣?，上面覆蓋100-200納米厚的氧化硅作為絕緣層，氧化硅上面的金屬電極是由硅鋁合金構(gòu)成，電極與硅鋁合金的界面由氮化鈦連接，電極的線寬和間距是用微電子光刻方法按照設(shè)計(jì)要求制成。由于庫(kù)侖島的尺寸是由填充的鐵顆粒的間距決定，電極的尺寸和間距對(duì)器件性能不起關(guān)鍵作用，電極可以是線寬100到300納米，間距100納米到1微米，這樣就可采用成熟的微電子技術(shù)。納米碳管將被組裝在電極上。
圖4為本發(fā)明方法制備的單電子器件的納米電極和納米碳管的顯微照片。圖中從左至右的亮線為納米碳管，上下的五個(gè)條帶為納米電極，電極上白亮的部分為利用聚焦離子束加工技術(shù)鍍的鉑，用以降低碳管與電極的接觸電阻，其它部分為氧化硅絕緣層。測(cè)量時(shí)外加電流源與左2和右1電極連接與納米碳管一起構(gòu)成回路使電流通過(guò)納米碳管，中間的左3和右2電極與電壓測(cè)量?jī)x相連。
本發(fā)明方法制備的單電子器件的特性和工作溫度經(jīng)測(cè)量結(jié)果如圖5所示。圖5(a)為在4.8K下電流-電壓曲線，表現(xiàn)出明顯的單電子效應(yīng)的平臺(tái)。隨著溫度的升高，臺(tái)階變窄，直到273K(室溫下)臺(tái)階仍然存在(如圖5(b)所示)。這表明本發(fā)明方法制備的單電子器件的工作溫度可以高達(dá)273K，即室溫，甚至比室溫更高一些。
本發(fā)明方法制備的單電子器件中，中間兩電極之間的碳管長(zhǎng)度為幾百納米，如果是由純凈的碳納米管構(gòu)成的器件在這個(gè)長(zhǎng)度一般不應(yīng)觀察到室溫下的單電子效應(yīng)。本發(fā)明采用有調(diào)制結(jié)構(gòu)的一維復(fù)合納米材料，在本實(shí)施例中是填充了鐵顆粒的納米碳管，實(shí)現(xiàn)了室溫單電子效應(yīng)。本實(shí)施例中鐵顆粒與納米碳管相互作用形成局域勢(shì)壘，鐵顆粒間的納米碳管就構(gòu)成了庫(kù)侖島。通過(guò)透射電鏡觀察，本實(shí)施例中的納米碳管中間填充的鐵顆粒間距(庫(kù)倉(cāng)島)可小至50納米以下。正是如此小的庫(kù)侖島導(dǎo)致了室溫單電子效應(yīng)的出現(xiàn)。同時(shí)，由于庫(kù)侖島的尺寸是由填充的鐵顆粒的間距決定，電極的尺寸和間距對(duì)器件性能不起關(guān)鍵作用，電極可以是線寬100到300納米，間距100納米到1微米，這樣就可采用成熟的微電子技術(shù)加工制造，使單電子器件的制造更加現(xiàn)實(shí)可行。
實(shí)施例2采用與實(shí)施例1相同的方法制備碳納米管，在其生長(zhǎng)過(guò)程中也可填充鈷、鎳等金屬或氮、磷等非金屬實(shí)現(xiàn)調(diào)制結(jié)構(gòu)，形成局域勢(shì)壘；制備電極及將碳納米管組裝在電極上的過(guò)程可采用與實(shí)施例1相同的方法，最終構(gòu)成單電子器件。
實(shí)施例3采用周期性地改變成分，金屬和絕緣體的轉(zhuǎn)變或定位的電子、離子注入方法引入勢(shì)壘制備有調(diào)制結(jié)構(gòu)的一維復(fù)合納米材料。
(1)按常規(guī)CVD或電弧放電法制備純凈的納米碳管；(2)用電子束曝光方法制作間距20-50納米、線寬10-30納米的篩型模板；(3)將納米碳管平鋪于一平板基底上，上面加上上述模板；(4)將上述結(jié)構(gòu)暴露在高能電子束或離子束下即可進(jìn)行定位的電子、離子注入。如暴露在合適的化學(xué)氣氛下即可實(shí)現(xiàn)納米管成分的周期性轉(zhuǎn)變或金屬與絕緣體的轉(zhuǎn)變。
以與實(shí)施1相同的方法制造電極及將調(diào)制后的碳納米管組裝在電極上，最終構(gòu)成單電子器件。
權(quán)利要求
1.一種制備單電子器件的方法，包括碳納米管的制備、電極的設(shè)計(jì)制備及通過(guò)組裝和納米加工構(gòu)成器件，其特征是利用調(diào)制的復(fù)合一維納米材料制備單電子器件，通過(guò)在生長(zhǎng)過(guò)程中控制地在一維納米結(jié)構(gòu)中引入勢(shì)壘，改變納米管的電學(xué)性質(zhì)，使單電子器件工作溫度提高到室溫或更高。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備單電子器件的方法，其特征是決定單電子器件工作溫度的庫(kù)侖島的尺寸是由勢(shì)壘間距決定的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備單電子器件的方法，其特征是按下述方法步驟制備1)用化學(xué)氣相沉積方法制備碳納米管，在其生長(zhǎng)過(guò)程中定時(shí)填充過(guò)量的金屬或非金屬引入勢(shì)壘，得到有調(diào)制結(jié)構(gòu)的碳納米管；2)用微電子光刻技術(shù)制備電極；3)將上述有調(diào)制結(jié)構(gòu)的碳納米管在二氯乙烷中超聲分散后組裝到上述電極上，并可用聚焦離子束工作站或電子束曝光機(jī)等納米加工手段進(jìn)一步加工改造，最終構(gòu)成單電子器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備單電子器件的方法，其特征是所述的制備有調(diào)制結(jié)構(gòu)的碳納米管還可采用周期性地改變成分、金屬、和絕緣體的轉(zhuǎn)變或定位的電子、離子注入的方法引入勢(shì)壘。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備單電子器件的方法，其特征是所述的引入勢(shì)壘制備有調(diào)制結(jié)構(gòu)的碳納米管的具體方法中使用的是0.08克酞氰鐵或二茂鐵溶解于300毫升左右的芳香類(lèi)有機(jī)溶劑中，如二甲苯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備單電子器件的方法，其特征是所述的利用微電子光刻技術(shù)制備電極，電極間距100納米到1微米，線寬100到300納米。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備單電子器件的方法，其特征是所述的將有調(diào)制結(jié)構(gòu)的碳納米管組裝到電極上是采用將碳管在二氯乙烷中超聲分散后滴灑組裝在電極上，通過(guò)控制滴灑的溶液濃度和溶液量控制電極上碳管的數(shù)目。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備單電子器件的方法，其特征是所述的制備有調(diào)制結(jié)構(gòu)的碳納米管時(shí)還可以填充金屬Co、Ni、Ag來(lái)實(shí)現(xiàn)引入勢(shì)壘。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的制備單電子器件的方法，其特征是所述的制備有調(diào)制結(jié)構(gòu)的碳納米管時(shí)還可以填充非金屬N、P來(lái)實(shí)現(xiàn)引入勢(shì)壘。
10.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備單電子器件的方法，其特征是所述的引入勢(shì)壘制備有調(diào)制結(jié)構(gòu)的碳納米管的具體方法步驟是1)按常規(guī)CVD或電弧放電法制備純凈納米碳管；2)用電子束曝光方法制作間距20-50納米、線寬10-30納米的篩型模板；3)將納米碳管平鋪于一平板基底上，上面加上上述模板；4)將上述結(jié)構(gòu)暴露在高能電子束或離子束下即可進(jìn)行定位的電子、離子注入；如暴露在合適的化學(xué)氣氛下即可實(shí)現(xiàn)納米管成分的周期性轉(zhuǎn)變或金屬與絕緣體的轉(zhuǎn)變。
11.利用調(diào)制的復(fù)合一維納米材料制備單電子器件并提高工作溫度至室溫或更高的方法用作納電子學(xué)研究和納電子器件制備。
全文摘要
本發(fā)明屬于納電子學(xué)及納電子器件領(lǐng)域，具體為利用調(diào)制的復(fù)合一維納米材料構(gòu)建單電子器件并提高其工作溫度到室溫或更高的思想和方法。通過(guò)在生長(zhǎng)過(guò)程中控制地在一維納米結(jié)構(gòu)(納米管)中引入勢(shì)壘(可以用金屬顆粒、成分改變、金屬和絕緣體或非晶和晶體的轉(zhuǎn)變、定位的電子或離子注入)，可以改變納米管的電學(xué)性質(zhì)。用這種復(fù)合納米材料制備出單電子器件。通過(guò)調(diào)節(jié)勢(shì)壘的間距，可以控制由此制備的單電子器件的工作溫度達(dá)到室溫或更高溫。本發(fā)明用于納電子學(xué)研究及單電子器件制備。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1510716SQ0215797
公開(kāi)日2004年7月7日 申請(qǐng)日期2002年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月20日
發(fā)明者彭練矛, 陳清, 梁學(xué)磊, 車(chē)仁超 申請(qǐng)人:北京大學(xué)