部分包覆绝缘层的碳纳米管
利用部分包覆绝缘层的碳纳米管制作的场效应晶体管示意图
各部分组成不同的分支碳纳米管的透射电子显微镜照片。a：主干：未掺杂；分支：未掺杂。b：主干：氮掺杂；分支：氮掺杂。c： 主干：氮掺杂；分支：未掺杂。d：主干：未掺杂；分支：氮掺杂。
分支碳纳米管形成机制示意图
在国家自然科学基金委、科技部、中科院的大力支持下，中科院化学所有机固体院重点实验室刘云圻研究员、朱道本院士和他们的研究生，与胶体、界面与化学热力学院重点实验室韩布兴研究员、刘志敏副研究员合作，在碳纳米管场效应晶体管的研究方面取得新进展，有关研究成果申请了中国发明专利并发表在国际材料学术期刊《先进材料》(Advanced Materials (2006, Vol.18, No.2, p181-185)上。
场效应晶体管是薄膜型结构，其中绝缘层的介电常数、致密性和厚度对晶体管的性能影响较大。通常使用的二氧化硅绝缘层的介电常数较低(3.9)，而氧化铝不但介电常数高(8.6 10)，还具有低渗透性、高热稳定性等优点。但至今还没有氧化铝作为栅极绝缘层包覆一维纳米材料的实验报道，主要是因为氧化铝熔点非常高，无法采用常规技术制作氧化铝绝缘层。为此，他们利用超临界流体技术(Adv. Mater.,2004,16,350；2005, 17,217)简单、高效地将氧化铝不连续地包覆在碳纳米管表面(图1)，并利用聚焦离子束 (FIB) 直接观察选择合适的带绝缘层的碳纳米管，并在裸露的碳纳米管两端原位沉积Pt电极作为源、漏电极，在包覆有氧化铝绝缘层的区域沉积Pt电极作为栅电极，制备了场效应晶体管(图2)。由该技术制备的氧化铝绝缘层的漏电流很小，在室温下碳纳米管具有明显的场效应现象，调控器件所需的栅极电压较通常结构的场效应晶体管低，且在一块电路版上的每个器件能分别通过专有的栅电极操控。
另外，他们提出了一种制备结构和组成可控的分支碳纳米管的新方法――气流波动法。有关研究成果已申请了中国发明专利，并发表在近期的国际纳米期刊Nano Letters(2006, Vol. 6, No. 2, p.186-192)上。
碳纳米管因其优良的电学和机械性能目前已经广泛地被用来制作多种纳米电子器件，但是如何将这些独立的电子器件连接成一个功能系统，如纳米电路等，仍是纳米电子学领域的一大挑战。该课题组提出了一种新的制备方法来解决这一难题。他们发现气流波动能可控地制备分支碳纳米管阵列。同时通过改变气流的成分就可以控制分支碳纳米管中各部分的化学组成(图3)。据此，他们提出了分支碳纳米管形成的一种新机制(图4)。这种方法简单可控，为分支碳纳米管用于制备未来的纳米集成电路提供了可能，并可能用于制备其它材料的分支纳米结构，对分支纳米结构的制备和纳米器件的集成具有重要意义。
2006-04-05