Transcript 奈米電子學期未報告
奈米電子學報告 Carbon Nanotube R91943102 楊宜霖 C-V LAB 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-Wall Nanotube)。 • 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-Wall Nanotube)的研究成 果。 C-V LAB 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)current carrying capacity 高 (4)Field emission小，小電壓即可射出電子 (5)熱傳導及穩定性佳 • 缺點： (1)貴 C-V LAB 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(Plasma Discharging) 2.雷射激發法(Laser Ablation Method) 3.金屬催化熱裂解法(Metal Catalyzed Thermal Chemical Vapor Deposition Method) C-V LAB 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type C-V LAB 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-FED C-V LAB 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-V LAB 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。 ~THE END~ C-V LAB 楊宜霖 電漿法(Plasma Discharging) • 優點： (1)Sample system • 缺點： (2)Random size and direction 回上一頁 C-V LAB 楊宜霖 雷射激發法 (Laser Ablation Method) • 優點 (1)Precisely controlled growth (2)High purity • 缺點 (1)Very expensive 回上一頁 C-V LAB 楊宜霖 金屬催化熱裂解法 Metal Catalyzed Thermal Chemical Vapor Deposition Method • 優點： (1)Suitable for mass production (2)Selective growth • 缺點： (1)Poor mechanism properties 目前市面上的奈米碳管多以此法製成 回上一頁 C-V LAB 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(Coulomb Blockade)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-V LAB 楊宜霖 • 圖片： • • • • • (A) (B) • 圖1：(a)CNT SET在溫度=1.3K時量測到 庫倫障礙(Coulomb Blockade, CB)效應與 (B)元件結構圖。 • 回上一頁 C-V LAB 楊宜霖 圖二：(A)以AFM在CNT做出相距約20 nm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-V LAB 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-V curve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vacuum annealing 兩種方法。 因為CNT-FET只要和氧結合，就會呈現p-type的特性，vacuum annealing 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-type FET，其導通電流約為vacuum anneal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-V LAB 楊宜霖 圖三：CNT FET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-V LAB 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-V LAB 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-V LAB 楊宜霖 CNT邏輯元件 • 回 上一頁 C-V LAB 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-V LAB 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 metal type 或是semiconductor type。 • 現在製造出來的奈米碳管，通常是包含metal type 和 semiconductor type的混合物。 • 現階段是以burn out的方法來分離。 回上一頁 C-V LAB 楊宜霖 Burn out • 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-V LAB 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-Growth Assembly： 1.Electric-Field-Assisted Assembly技術 2.Chemically Functionalized Template技術 3.Fluidic Alignment技術 (2)Aligned Growth Method： 1.Electric-Field Directed Growth技術 回上一頁 C-V LAB 楊宜霖 Electric-Field-Assisted Assembly(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dipole moment，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-V LAB 楊宜霖 • 經電場排列後之碳管 回上一頁 C-V LAB 楊宜霖 Chemically Functionalized Template (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-V LAB 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-V LAB 楊宜霖 Fluidic Alignment(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-V LAB 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-V LAB 楊宜霖 Electric-Field Directed Growth (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 C-V LAB 楊宜霖