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低维碳材料的制备与碳纳米管场效应晶体管的研究

冯颖  
【摘要】: 摘要: 碳有众多的同素异形体。其中碳的一维纳米材料碳纳米管一直是兴趣焦点,在近二十年来倍受世人瞩目。近年来,碳材料的研究出现新突破,二维纳米材料石墨烯成功地被制备出来,从而为低维碳材料打开新的研究空间。低维碳材料具有独特的物理结构,特殊的电学特性,因而在物理学、化学、电子学和生物学等领域都获得了广泛而深入的研究,应用前景非常广阔。本论文工作的主要目的是通过对碳纳米材料及其场效应器件的研究,得到具有优良性能尤其是高电流开关比的器件。此外,还研究了材料的制备。 本论文研究的主要内容包括材料制备、器件处理等,分为下列四个部分: 1.低维碳材料单壁碳纳米管和石墨烯的制备与表征。通过化学气相沉积法在硅片上制备低维碳材料,采用扫描电子显微镜、原子力显微镜和拉曼光谱仪等进行表征分析。研究并改善生长条件,分别获得高密度长直碳纳米管阵列和面积较大的石墨烯。而对于碳纳米管粉末,比较了其在乙醇和二甲基甲酰胺(DMF)中的分散稳定性,并通过旋转提升基片法在液体-气体表面收集获得单分散、有一定取向的碳纳米管。 2.提高碳纳米管场效应晶体管的开关比。在长有平行碳纳米管阵列的硅片上,用光刻技术沉积金属电极,制备出以碳纳米管作为导电沟道的场效应晶体管。在此基础上,用半导体特性测试仪器对晶体管电流电压特性曲线展开研究,并寻找提高源漏电流开关比的方法。初始器件的源漏电流开关比仅为10左右。通过刻蚀器件,去除部分氧化绝缘层,然后进行电学烧蚀,开关比增大数十倍数甚至数十万倍。 3.沟道伸展对碳纳米管场效应晶体管的性能影响。制备导电沟道分别为5μm、15μm和25μm的器件,用稀释了的氢氟酸除去器件部分(约60nm厚,剩下40 nm)SiO2绝缘层,在碳管中引入内应力,然后测量器件的电压电流曲线。研究沟道伸展、引入内应力后晶体管的跨导、迁移率和电流开关比等性能的变化,得到长沟道相比于短沟道在碳纳米管伸展后更易于获得性能优良的器件的结论。 4.栅压扫描对器件性能的影响。采用电学烧蚀除去大部分金属型碳管沟道材料,研究多次栅压扫描IDS-VGS曲线的变化。这些转移特性曲线表明器件性能受到多次测量的影响,电流逐步减小,最终获得较小的关断电流(2 nA)和较大的电流开关比。


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