北京大学ACS Nano: 高密度高纯度半导体碳纳米管阵列问世

【引言】

单壁碳纳米管在电子产品中得到了广泛应用，然而，大规模制造高性能碳纳米管器件仍然很难，主要是由于缺乏适合于高性能电器元件和集成电路（IC_s）的高性能碳纳米管材料。虽然人们认为高密度、高纯度碳纳米管是构建高速和低耗集成电路的理想材料，但同时实现这两个属性仍然具有挑战性。近年来，碳纳米管材料纯化技术虽然实现了高达99.99%的高纯度，但也造成了碳纳米管长度短和均匀性差方面的缺陷，导致该材料制备电器元件过程复杂、成本高、器件性能下降。因此，制备出有序的高浓度、高纯度碳纳米管材料将促进高性能电器元件和集成电路的发展。

【成果简介】

近日，北京大学纳米器件物理与化学教育部重点实验室彭练矛教授和张志勇教授（共同通讯作者）团队在ACS Nano上发表了一篇题为“Scalable Preparation of High-Density Semiconducting Carbon Nanotube Arrays for High Performance Field-Effect Transistors”的文章。 该文章中研究人员报道了一种定向收缩转移法制备高密度、高纯度碳纳米管阵列的方法。制备出的碳纳米管阵列密度是原始碳纳米管阵列的10倍，检测显示制备过程对碳纳米管阵列无损伤，以高密度碳纳米管阵列制备的场效应晶体管在电学性能方面表现出了优异的性能。

【图文导读】

图1 通过膜拉伸方式制备高密度CNTs示意图

 (a) 制备采用定向收缩转移法，将碳纳米管/PMMA膜粘附到拉伸的PDMS膜上，保持CNT阵列垂直于PDMS膜拉伸方向，PDMS膜慢慢地释放到原来的长度后得到碳纳米管/聚甲基丙烯酸甲酯/PDMS薄膜；

(b-c) 密度发生10倍变化前后碳纳米管阵列扫描电镜对比。

图2 碳纳米管阵列密度调节

(a) 未增加密度的碳纳米管阵列扫描电镜；

(b) 拉伸2倍时碳纳米管阵列扫描电镜；

(c) 拉伸3倍时碳纳米管阵列扫描电镜；

(d) 拉伸4倍时碳纳米管阵列扫描电镜；

(e) 显示了拉伸倍数与碳纳米管阵列密度及FETs电流间的关系；

(f) 碳纳米管阵列拉曼光谱图。

图3 高密度碳纳米管阵列特性

(a) 在原始碳纳米管上随机取四个位置扫描电镜；

(b) 拉伸5倍时，四个随机位置的碳纳米管阵列扫描电镜比较；

(c) 通过自主设计的matlab程序计算出的碳纳米管阵列密度标准偏差值；

(d-e) 碳纳米管阵列密度增加前后跨导值由4.19提高到22.46；

(f) 拉曼光谱图显示密度增加后碳纳米管阵列仍保持良好的方向性；

(g) COMSOL 软件模拟出的PDMS被拉伸5倍图。

图4 半导体碳纳米管阵列密度增加前后FETs电特性

(a) 顶栅自对准场效应晶体管示意图；

(b) 场效应晶体管扫描电镜；

(c) 通过场效载流迁移率评估高密度碳纳米管阵列质量；

(d) VDS = 0.1 V时，不同碳纳米管阵列密度场效应晶体跨导统计比较；

(e) 场效应晶体管传输特性；

(f) 场效应晶体管输出特性；

(g) 碳纳米管阵列纯度。

 【小结】

这项工作研究人员开发了一种定向收缩转移方法，在无损情况下制备出了10倍密度的半导体碳纳米管阵列薄膜。该方法提高了薄膜的均匀性，同时还保持CVD法生长的碳纳米管阵列的高载流迁移率1600 cm² V^-1 s^-1。将该高密度碳纳米管阵列制备成场效应晶体管进行电学性能测试，获得了载流迁移率分布约为1591.8×133.6 cm²/Vs，I_on和G_m值达150 µA/µm和80 µS/um，I_on/I_off值达10⁴的结果，是目前获得的最高值。这项工作为同时提高碳纳米管密度和纯度方面提供了一种新的思路，将促进高性能场效应晶体管（FET）和集成电路（IC）材料方面进一步发展。

 文献链接：Scalable Preparation of High-Density Semiconducting Carbon Nanotube Arrays for High Performance Field-Effect Transistors（ACS Nano, 2018, DOI: 10.1021/acsnano.7b07665）

本文由编辑部王健康编辑，刘宇龙审核，点我加入材料人编辑部。

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