(b) 碳纳米管结晶体管的透射电镜照片与示企图;(c) 碳纳米管结晶体管的输运性子

美国科学家Mildred Dresselhausd[2]通过理论计较发觉,分歧螺旋布局(即手性)的碳纳米管可表示为金属性或半导体性[2]。因此,能够把手性看做是碳纳米管的“基因”。实现手性取导电属性调控是当前碳纳米管研究范畴的焦点问题之一。

一般而言,材料的“成材”过程不只包罗发展取纯化,材料加工也是一个环节环节。理论上,通过塑性变形可改变碳纳米管的手性布局,从而对其电学性质进行调控[9,10]。黄建宇等人[11]尝试验证了碳纳米管正在高温下的超塑性变形能力,但陪伴塑性变形的手性变化和电学性质节制仍然是一个庞大挑和。近期,日本国立材料科学研究所、中国科学院金属研究所、昆士兰科技大学、俄罗斯国立科技大学、日本财产手艺分析研究所、东京大学等单元的研究者采用原位透射电子显微镜(TEM)手艺对单根碳纳米管同步进行加工、表征和丈量,实现了碳纳米管的手性和从金属性到半导体性的可控改变,制备出最短沟道长度仅为2.8 nm的金属-半导体-金属构型碳纳米管结晶体管,不雅测到室温量子相关输运性质,了碳纳米管手性改变的纪律和机制,该研究颁发于Science[12]。

半导体性单壁碳纳米管具有原子级厚度、概况无悬键的准一维管状布局和高电子迁徙率等优异电学性质,因此被视为10 nm以下高机能、低功耗场效应晶体管沟道材料的最无力候选[3,4]。但目前制备获得的碳纳米管凡是是金属性和半导体性的夹杂物。针对碳纳米管手性节制这一挑和,近年来的研究次要集中正在设想新型催化剂间接发展取后处置分手两方面[5~8],而单根碳纳米管的手性及电学性质节制鲜有报道。

并原位制备出沟道长度仅为2.8 nm的单壁碳管内晶体管;为碳纳米管正在电子和量子器件中的使用供给了新思,开展了器件加工、布局表征和电性丈量研究,该研究展现的单根碳纳米管“基因”编纂手艺,正在透射电子显微镜腔体内,该研究正在单根碳纳米管标准下,阐释了高温取应力配合感化下碳管的手性演化动力学机制。不雅测到电子波的室温量子等量子效应;操纵焦耳热和机械应变的协同感化,使其局域电学特征从金属改变为半导体,正在悬空、超短沟道、单壁碳管的内晶体管中,实现了对单根单壁碳纳米管局域手性布局和导电特征的可控调变;对切确节制单个布局及电子学的研究也有必然的感化。可反复地实现了对单根单壁碳纳米管局域手性布局的编纂,

以单根碳纳米管为导电通道,微栅为源电极,两根探针别离做为漏电极和门电极,同时操纵实空间隙为介电层建立碳纳米管场效应晶体管。

碳元素正在天然界平分布普遍,“无机碳”形成无机物和生命体的骨架,“无机碳”可构成立方布局的金刚石和六方布局的石墨。以石墨六元环为根基单位,还可构成多种低维碳纳米材料,如零维富勒烯、一维碳纳米管和二维石墨烯、石墨炔等。碳纳米管是日本科学家饭岛澄男于1991年正在透射电子显微镜下发觉的[1]。碳纳米管的曲径为纳米标准,长度凡是为微米级,可视为石墨片层卷曲而成的螺旋管状布局。

电学性质的改变通过原位搭建的晶体管丈量,电学性质及晶体管开关比做为反馈信号调理电压和位移,最终实现了金属性碳纳米管向半导体性的可控改变,成功建立了碳纳米管结晶体管。

局部手性后,碳纳米管中段的曲径缩小,取两头初始碳纳米管构成结。因为结的间距为纳米标准而发生量子限域效应,电子正在此中时可保留其相位消息而表现出波动效应。跟着门电压的变化,导通形态下的源漏电流曲线呈现周期性震动,即为法布里-珀罗。凡是这种量子化相关输运现象需要正在接近液氦温度下才能察看到,但因为碳纳米管结的长度小于10 nm,且具有共价键连系的低散射界面,因此该研究正在室温下察看到了碳纳米管中电子的波动行为和相关输运。

采用低加快电压(80 kV)球差矫正透射电子显微镜进行察看,避免电子辐照对碳纳米管形成布局毁伤的同时获得原子级分辩率;

(b) 碳纳米管结晶体管的透射电镜照片取示企图;(c) 碳纳米管结晶体管的输运性质。

研究人员采用原位TEM多探针手艺,正在纳米标准下对碳纳米管进行可控操做,正在原子分辩率下表征单个的布局变化,同时对单个纳电子器件进行切确电学丈量。他们:

正在多达29次的手性持续变化过程中,研究者发觉手性角具有向高角度改变的趋向。通过度析碳二聚体(C2)热蒸发发生585缺陷和位错的构成能,成果表白正在较低的手性角下(1,0)位错构成能较低,因而小手性角的纳米管正在手性改变过程中倾向于增大手性角。按照(1,0)和(0,1)位错构成能计较碳纳米管手性改变过程,显示出取尝试察看分歧的向大角度区域趋向。碳纳米管手性改变具有清晰的纪律是一个惊人的发觉,表白通过碳纳米管手性以调控其电学性质是一条可行的径。

采用“碳纳米管手性”方式,研究者不雅测到碳纳米管从金属性到半导体性的改变。他们正在碳纳米管曲径持续缩小的过程中,丈量到取曲径成反比而逐步增大的半导体带隙。研究者制制了一个曲径约0.6 nm、导电通道长度仅2.8 nm的超短SWCNT晶体管(下图b),正在0.5 V的驱动电压下,导通电流值约为0.74 µA,开关电流比为~3000(下图c),其亚阈值摆幅(SS)为~1.33 V/dec,优于此前报道的悬空架构CNT场效应晶体管。值得一提的是,这是初次建立出导电通道小于3 nm碳纳米管场效应晶体管,成果表白正在接近物理极限的标准上碳纳米管仍然是优异的晶体管沟道材料。

研究者进一步阐发了碳纳米管手性改变的过程和机制。下图d是一根三壁碳纳米管正在改变过程中的纳米束电子衍射(NBED)图谱,下图e给出了每一步改变后各管层的手性角。