奈米电子学期未报告

C-VLAB楊宜霖奈米電子學報告CarbonNanotubeR91943102楊宜霖C-VLAB楊宜霖奈米碳管的發現•在1991年時，NEC的飯島澄男教授(Prof.S.Iijima)在研究碳簇時，偶然的發現了多層奈米碳管(Multi-WallNanotube)。•兩年後，NEC的Iijima及IBM的Bethune同時在Nature上發表關於單層奈米碳管(Single-WallNanotube)的研究成果。C-VLAB楊宜霖奈米碳管的優缺點•優點：(1)體積小，單層碳管約1~2nm(2)密度小，質量輕(3)currentcarryingcapacity高(4)Fieldemission小，小電壓即可射出電子(5)熱傳導及穩定性佳•缺點：(1)貴C-VLAB楊宜霖奈米碳管的製造•目前製備奈米碳管的方法共有三種：1.電漿法(PlasmaDischarging)2.雷射激發法(LaserAblationMethod)3.金屬催化熱裂解法(MetalCatalyzedThermalChemicalVaporDepositionMethod)C-VLAB楊宜霖奈米碳管的電性•奈米碳管因為直徑和鏡像角的不同，可以有導体和半導体兩種type：(1)當m-n=3x(x=integer)時，其為導体type(2)當m-n≠3x時，其為半導体typeC-VLAB楊宜霖奈米碳管的應用•奈米碳管元件：(1)CNT-SET(2)CNT-FET•奈米碳管顯示器：(1)CNT-FEDC-VLAB楊宜霖CNT元件所面臨的挑戰•CNT的成長技術•CNT的排列和定位技術C-VLAB楊宜霖Conclusion•奈米碳管有不少的優點，而其能做出transistor和Inverter的確也為新一代的元件帶來不少的希望。但是奈米碳管仍然有著不少的問題和挑戰需要去解決。~THEEND~C-VLAB楊宜霖電漿法(PlasmaDischarging)•優點：(1)Samplesystem•缺點：(2)Randomsizeanddirection回上一頁C-VLAB楊宜霖雷射激發法(LaserAblationMethod)•優點(1)Preciselycontrolledgrowth(2)Highpurity•缺點(1)Veryexpensive回上一頁C-VLAB楊宜霖金屬催化熱裂解法MetalCatalyzedThermalChemicalVaporDepositionMethod•優點：(1)Suitableformassproduction(2)Selectivegrowth•缺點：(1)Poormechanismproperties目前市面上的奈米碳管多以此法製成回上一頁C-VLAB楊宜霖CNT-SET•CNT為良好的一維導體，所以適用於SET的製作。其架構是將兩個電極和導体CNT接觸即完成，如圖1(b)。•由於CNT在延碳管方向的長度較長，所以要在低溫時才能觀察到庫倫阻斷(CoulombBlockade)效應，圖1(a)。•若要提高CNT-SET的工作溫度，則須縮短CNT延碳管方向的有效長度。•用AFM作彎曲工具，可將CNT的等效長度縮短，如此可量測到接近室溫的庫倫阻斷效應，如圖2。•以此為基礎，可開發其他單電子元件。回上一頁C-VLAB楊宜霖•圖片：•••••(A)(B)•圖1：(a)CNTSET在溫度=1.3K時量測到庫倫障礙(CoulombBlockade,CB)效應與(B)元件結構圖。•回上一頁C-VLAB楊宜霖圖二：(A)以AFM在CNT做出相距約20nm的連續彎曲的製作過程，以及(B)在溫度=260K時量到的CB效應。•(A)(B)回上一頁C-VLAB楊宜霖CNT-FET•不同於CNT-SET，用在CNT-FET的碳管要是屬於半導體性的碳管，其結構如圖3(a)(b)。•CNT-FET的C-Vcurve一般來說呈現p-type的特性，如圖3(c)。•若要使其呈現n-type的特性，有K-doping和vacuumannealing兩種方法。•因為CNT-FET只要和氧結合，就會呈現p-type的特性，vacuumannealing的目的是要將其內部的氧anneal掉，其就會表現出n-type的特性。•K-doping是強制加電子到CNT-FET內，使其表現n-type之特性。•由K-doping得到之n-typeFET，其導通電流約為vacuumanneal得到之元件的十倍，如圖四。•CNT-FET已經可以做出邏輯元件，如inverter(圖5)，以及其他簡單的邏輯。•就CNT-FET中，P-type元件有比n-type元性好的特性。回上一頁C-VLAB楊宜霖圖三：CNTFET元件(A)上視圖、(B)剖面圖以及(C)量測到在不同Vsd偏壓下Isd對Vg變化。•(a)(b)(c)回上一頁C-VLAB楊宜霖圖四：分別是以(A)真空退火或(B)鉀元素摻雜方式製作出N型CNTFET的I-V特性圖•(A)(B)回上一頁C-VLAB楊宜霖圖5(A)由N與P型CNT所組合成的CNTFET反相器元件結構圖以及(B)所測到的Vin-Vout特性圖。•(A)(B)回上一頁C-VLAB楊宜霖CNT邏輯元件•回上一頁C-VLAB楊宜霖CNT-FED•不同於CNT元件需要單層的碳管，多層碳管也可以用於CNT-FED。•因為奈米碳管長寬比相當大，不用太大的電場就可以使其尖端放電，這使得奈米碳管很適合做顯示器的材料。•CNT-FED是奈米碳管短期內能夠看到成果的產品。回上一頁C-VLAB楊宜霖CNT的成長技術•以目前的技術，仍然無法控制所成長出來的CNT是metaltype或是semiconductortype。•現在製造出來的奈米碳管，通常是包含metaltype和semiconductortype的混合物。•現階段是以burnout的方法來分離。回上一頁C-VLAB楊宜霖Burnout•此方法是在2001年4月由IBM所提出。•在多層碳管兩端加固定電壓，經過不同時間的stress，可觀察到多層碳管的導通電流隨著時間呈現階梯式下降，每降一層表示一層膜被移除，每層膜可導通的電流量是19uA。如此可將多層碳管移除成單層碳管。•若要將導体性和半導体性的碳管移除，可先在背面基板加上偏壓，將半導体性的單層碳管偏壓到空乏區，使電流無法通過，再將兩端加一電壓降，則大電流會從導体性的碳管流過，而將之燒毀，只留下半導体性的碳管，如此可達成分離的目標回上一頁C-VLAB楊宜霖排列和定位技術•排列和定位技術大略可分為兩類：(1)Post-GrowthAssembly：1.Electric-Field-AssistedAssembly技術2.ChemicallyFunctionalizedTemplate技術3.FluidicAlignment技術(2)AlignedGrowthMethod：1.Electric-FieldDirectedGrowth技術回上一頁C-VLAB楊宜霖Electric-Field-AssistedAssembly(電場排列)•此技術是利用CNT長寬比極大的特性，在外加電場時，會沿著CNT長軸方向產生強大的dipolemoment，使得CNT會沿著電場方向排列並朝電極移動，於是CNT會在電極邊緣與電場同方向做平行排列，如圖。回上一頁C-VLAB楊宜霖•經電場排列後之碳管回上一頁C-VLAB楊宜霖ChemicallyFunctionalizedTemplate(基板表面處理)技術•此技術是在要放上CNT的位置先做特殊處理，使得CNT容易附著在該位置。•將要放置CNT的表面用-NH2覆蓋，其他部分用-CH3覆蓋。將CNT塗滿基板並後清洗掉，則CNT會只在作-NH2處理的表面停下來。•此為第一個沿著設定方向排列的技術。•其操作和結果如圖所示。回上一頁C-VLAB楊宜霖(A)(B)•(A)基板表面處理的步驟圖以及(B)CNT沿著基板上預作的Q字排列的結果回上一頁C-VLAB楊宜霖FluidicAlignment(流体定位)技術•將含有CNT的溶液由一特殊設計的模具中注入而讓流体沿著單一方向流動，於是基板上的CNT就會以注入流体的流動方向平行排列。•排列的方法和結果如圖所示。回上一頁C-VLAB楊宜霖(A)(B)•(A)流體式組合技術的示意圖。將含有CNT的溶液沿著一個方向以一定的速度流動，使CNT是以平行流體方向覆蓋在基板上。(B)實驗的結果，發現CNT大多沿著flow方向排列回上一頁C-VLAB楊宜霖Electric-FieldDirectedGrowth(電場輔助式定位成長)技術•此技術為2001年由Stanford大學所提出。•在以CVD系統成長CNT時外加電場，則CNT會在兩電極之間以平行電場的方向成長。•此為在成長時就達成定位的技術。回上一頁