碳纳米管器件原理和应用

0碳纳米管器件原理和应用姓名：郭天凯专业：应用物理学号：20124370191摘要：纳米材料被誉为是21世纪的重要材料，它将构成未来智能社会的四大支柱之一。碳纳米管在纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。碳纳米管具有独特的结构形态和优异的电学、力学等性能，碳纳米管的独特结构和优异的物理力学性能使它成为纳米科技领域中构筑纳尺度器件和系统的重要基础，为纳米科技领域的创新提供着持续强劲的原动力。碳纳米管在各种应用领域中的巨大应用前景，包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件、平板场致发射显示器以及碳纳米管微操作等，碳纳米管独特的结构和优良性能使其在纳米技术和纳米电子学领域扮演着愈来愈重要的角色，本文综述了碳纳米管器件的原理和应用。关键词：碳纳米管器件、场效应管、单电子晶体管、电磁屏蔽复合材料、聚合物基吸波复合材料、超电容器电极材料、储氢材料、催化剂载体正文：一、碳纳米管器件的制备原理碳纳米管的生长和制备是场致发射显示器研制中关键的一个环节。目前，人们可以利用激光轰击法、化学汽相沉积法、辉光放电法、直流电弧放电法、气体燃烧法、催化剂高温热解法等多种方法制备碳纳米管。在这些技术当中，直流电弧放电法的生产工艺简单，可以大批量生产。虽然目前已经有很多种制备碳纳米管的方法，但是碳纳米管的大量制备仍然是以电弧放电法和高温催化热解法为主。其中电弧2放电法可以获得具有较高程度石墨化结构的碳纳米管，十分适用于理论研究的需要。C.Journet等人采用电弧法的工艺过程如下：在氩气气氛下，利用阴阳两个电极之间的大量放电现象来实现碳纳米管材料的生长。阴极是一个长约100mm、直径大约6mm的石墨棒，上面刻蚀了一个4mm深、3.5mm直径大小的孔洞，利用金属催化剂和石墨粉末的混合物进行填充。利用大约为100A的高电流来产生电弧放电，通过不断移动阳极，同时保持阴极和阳极之间的间距为常数（大约为3mm）来实现的。典型的生长时间为2min。从SEM的结果看，存在着大量的、相互缠绕的碳纤维材料均匀地分布在至少为几个平方毫米的衬底表面上，碳纳米管的直径为10~20nm，而两个缠绕点之间的平均距离在几个微米左右，但是看不出碳纳米管的顶端。估计碳纳米管的产量在百分之八十左右。碳纳米管的电学性能，单壁碳纳米管既可表现为金属性，又可表现为半导体性；电子在碳纳米管中可实现弹道式传输，无电子散射发生，无能量损失；碳纳米管的通流能力可以达到109−1010A/cm2，并在较高的温度下稳定地存在而没有电迁移现象；碳纳米管的电流传输具有螺旋特征，使其磁场分布主要集中在碳管的内部；碳纳米管的场发射特性具有相对低的开启电压和阈值电压、良好的场发射稳定性和长的发射周期；碳纳米管的微波介电特性使其表现出较强的宽带微波吸收性能。碳纳米管的力学性能，比重为钢的1/6，强度为钢的100倍，杨氏模量可达1000GPa，比金刚石高好几倍，弹性模量可达1TPa；具有高弹性，高的韧性；通过材料的响应，直接把电能转化为机械能。3碳纳米管的热学性能，实验测得单根多壁碳纳米管室温下的热导率可达到3000W/mK；分子动力学模拟预测单壁碳纳米管的轴向热导率室温下可达到6600W/mK，与金刚石相当。二、碳纳米管器件的应用1、基于碳纳米管场效应管构建的纳电子逻辑电路[1]首先利用Pt作为源漏电极材料,单壁碳纳米管作为输运沟道的场效应管和扫描电子显微镜，制备基于单壁碳纳米管的p型场效应管的构建。重掺杂的硅片作为基底,其上面热生长一层200nm厚的二氧化硅作为绝缘层,Si作为门电极,然后采用光刻技术在SiO2上制备Au电极图案(作为源漏电极的引出).单壁碳纳米管经由1,2_二氯乙烷分散在SiO2表面,随后利用离子束技术沉积一层厚50nm的Pt,一端连接单壁碳纳米管,另一端则连接作为引出用的Au电极.我们测量了沟道在500nm)3Lm的多个样品,得到了相似的电学特性测量结果.在制备场效应管的过程中,利用扫描电子显微镜来表征单壁碳纳米管在SiO2上的分散,以选择合适的单壁碳纳米管来作为场效应管的沟道.由于扫描电子显微镜的分辨率限制,难以观察到单根单壁碳纳米管,使得在选择构建场效应管的单壁碳纳米管时无法利用单根的碳纳米管,只能选取由多根单壁碳纳米管的管束作为场效应管的输运沟道.在本中,测量的单壁碳纳米管束的直径大多在10nm左右。基于掺氮多壁碳纳米管的n型场效应管的构建与p型碳纳米管场效应管的结构相似。单个p型碳纳米管场效应管的开关电路:图7(a)是单个p型碳纳米管场效应管的开关电路,电源电压为-5V,偏置电阻为015M8,取低电4平为-5V(逻辑1),高电平为0V(逻辑0),p型场效应管由Pt作为源漏电极,单壁碳纳米管作为沟道,当输入电压Vin=-5V(逻辑1)时,碳纳米管场效应管处于开启状态,器件的电阻远小于偏置电阻,因此电源电压降在偏置电阻上,输出电压为0V(逻辑0);当输入电压Vin=0V(逻辑0)时,场效应管处于截止状态,此时电源电压降在场效应管两端,输出电压为-5V(逻辑1)。碳纳米管场效应管开关电路的电压传输特性曲线如图7(b)所示.互补碳纳米管场效应管反相器：图8(a)是互补型碳纳米管场效应管反相器的电路示意图,由一个p型碳纳米管场效应管和一个n型碳纳米管场效应管组成,电源电压为-2V,n型掺氮碳纳米管场效应管以Pt作为源漏电极,掺氮碳纳米管作为沟道,这两个碳纳米管场效应管在同一个硅片上得到.当输入电压Vin=-5V时,p型碳纳米管场效应管开启,n型碳纳米管场效应管截止,输出电压为0V;当输入电压Vin=0V时,n型碳纳米管场效应管开启,p型碳纳米管场效应管截止,因而输出电压为-2V。图8(b)是实际测量的电压传输特性曲线。52、基于碳纳米管的单电子晶体管[2]解决传统硅基微电子学的瓶颈的未来出路之一就是单电子晶体管的应用。但是其极低的工作温度严重限制了广泛应用的可能性。科学家们利用弯曲的金属型碳纳米管表现出纳米尺寸的隧穿势垒现象,结合单电子晶体管的结构,将两个金属型碳纳米管的强烈弯曲处组合在一起从而形成一个单电子晶体管。2001年Postma等报道了这种工作在室温下的基于单个金属型碳纳米管分子的单电子晶体管。一根金属型碳纳米管生长在位于Si/SiO2衬底上的Au电极上,然后用AFM的探针沿箭头方向拖动碳纳米管,使其产生两个强烈弯曲,它们之间一段长约25nm的碳纳米管就形成了一个“库仑岛”。Bachtold等制作了以单壁碳纳米管为基础的场效应管演示逻辑电路,单壁碳纳米管构成的晶体管具有高增效、快速开关、室温可用等特性,而且局部门电路设计可集成多个装置到单个芯片上。Collins等讨论了碳纳米管及碳纳米管集成电路的工程化问题,使碳纳米管在纳米电子器件应用方面又前进了一步。采用简单可靠的方法从多壁碳纳米管和单壁碳纳米管管6束中选择单根碳纳米管,通过在碳纳米管两端施加电流使其从外向内逐渐氧化,将多壁碳纳米管各层一步一步剥离并测定各层性质,进而选择具有所需要属性的单层,这一过程可从多壁碳纳米管的各层选择呈金属性或半导体性的单层,采用相似方法可从单壁碳纳米管管束中选择出半导体单壁碳纳米管组成纳米场效应晶体管阵列,构成集成电路。单电子记忆:依据单电子晶体管/库仑岛0上存在或缺乏一个电子的状态变化,单电子晶体管可作高密度信息存储的记忆单元,成为未来数字电脑的标准部件。日本已研制出能在室温下工作的单电子存储器,它比现在最先进的16MB的DRAM存储器存储容量增大1000倍,达160亿位存储量,将来最终可增大到6万倍。超敏感电流计:可对极微弱的电流进行测量,制成超高灵敏度的静电计。微波探测:超导单电子晶体管在黑体辐射下,光子辅助隧穿会影响这个系统的电荷迁移。实验发现,只要有微量的微波辐射,器件的电子性质会出现新的特性,出现隧穿电流峰,且其大小与被吸收微波的功率成正比。这种单电子晶体管对微波的敏感度比目前最好的辐射热器件要敏感100倍。所以,单电子晶体管在微波探测上的发展前景是十分可观的。[3]3、碳纳米管在电磁屏蔽复合材料中的应用[4]碳纳米管在电磁场的辐射下，原子和电子运动加速，增加了对电磁波的吸收性能，而且由于比表面积大，易于形成导电网络，大量地应用到电磁屏蔽涂料中。目前，在宏观量合成和纯化碳纳米管的技术7日趋完备后，随着碳纳米管的量产已经开始了这方面的研究，国外已开发出含碳纳米管的电磁屏蔽涂料。中国科学院成都有机化学研究所国家纳米科学中心冯永成等也开展了碳纳米管在导电涂料中的应用研究。他们将碳纳米管用热的浓硝酸进行纯化和表面处理，再用球磨截断处理，然后与E-51环氧树脂混合，进行超声振荡制备了导电涂料。范凌云等将碳纳米管经过超声处理和经过十八醇表面包覆改性处理后，填充到丙烯酸酯树脂中，制得一系列丙烯酸/碳纳米管电磁屏蔽涂料。由于碳纳米管表面缺陷少、又缺乏活性基团，因此表现出难溶性，再加上其不熔性使其很难直接进行加工，但是从结构上来看，由sp2碳原子组成的碳纳米管可以被视为线性富勒烯分子，每个碳原子的一个垂直于骨架平面的p轨道形成高度离域化的大π键，能与含有π电子的化合物通过π-π非共价键作用相结合，可以得到化学修饰的碳纳米管。吕满庚等将碳纳米管羧酸化和酰氯化，再通过乙二胺修饰碳纳米管，破坏碳纳米管之间的亲和力，有利于其在基体树脂中的分散；再通过溶剂溶解、超声波高速搅拌处理，使碳纳米管分散于基体树脂中，最后用芳香胺固化，就可得到碳纳米管，环氧树脂复合材料。黄德欢等通过对碳纳米管进行酸碱氧化处理来提高表面官能化的效率，降低碳纳米管的表面能，再添加到马来酸酐接枝聚丙烯中，经过熔融反应，制备了碳纳米管，聚丙烯复合材料。4、碳纳米管在聚合物基吸波复合材料中的应用[5]吸波材料是随着科学技术的发展及雷达电子探测技术的不断提高而研制出的反雷达材料，最先应用于军事随着雷达探测技术的发8展以及目标外形技术越来越受到战术技术指标的限制，原有的隐身技术及吸波材料面临着很大的挑战，迫切需要开发新型吸波材料和相应的隐身技术为适应现代高技术!立体化战争的需要，将纳米技术引入隐形材料的研究开发已受到世界各军事大国的高度重视纳米吸波材料具有吸收强!频带兼容性好!质量轻!厚度薄!性能稳定等优点，是一类新型的吸波材料。碳纳米管属于一维纳米材料，纳米粒子的小尺寸效应!表面界面效应(比表面积大)量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等使其具有奇特的光!电!磁!声等性质，从而使得碳纳米管的性质不同于一般的宏观材料纳米粒子尺度(1-100nm)远小于红外线(1-1000μm)及雷达波(属于厘米波或毫米波)波长，因此纳米材料对红外及微波的吸收性较常规材料强纳米材料具有比常规粗粉体材料大3~4个数量级的高比表面积，随着表面原子比例的升高，晶体缺陷增加!悬挂键增多，容易形成界面电极极化，高的比表面积又会造成多重散射，因此界面极化和多重散射成为重要的吸波机制在原子排列较庞大的界面中及具有晶体畸变!空位等缺陷的纳米粒子内部形成的固有电矩，在微波场的作用下，由于取向极化，提高了纳米粒子的介电损耗量子尺寸效应使纳米粒子的电子能级由连续的能谱变为分裂的能级，分裂的能级间隔正处于与微波对应的能量范围(10-2~10-5ev)内，从而导致新的吸波效应一般认为，纳米吸波材料对电磁波能量的吸收是由晶格电场热运动引起的电子散射，杂质和晶格缺陷引起的电子散射，以及电子与电子之间的相互作用等三种效应决定的9碳纳米管具有特殊的螺旋结构和手征性，这也是碳纳米管吸收微波的重要机理碳纳米管具有特殊的电磁效应，表现出较强的宽带吸收性能，而且具有比重小!高温抗氧化性!介电性能可调!稳定性好等优点5、碳纳米管作为超电容器电极材料超电容器是一种能量存储装置。超电容器的综合性能比二次电池要好得多，如可大电流充放电，几乎不存在充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围宽等。超电容器在声频–视频设备、调谐器、电话机和传真机等通讯设备及各种家用电器中得到了广泛应用。作为超电容器的电极材料，要求材料结晶度高，导电性好，比表面积大，微孔大小集中在一定的范围内。而目前一般用多孔炭作电极材料，