奈米電子學報告 Carbon Nanotube R91943102 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。

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

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)

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

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

CNT 元件所面臨的挑戰 CNT的成長技術 CNT的排列和定位技術

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~

電漿法(Plasma Discharging) 優點： (1)Sample system 缺點： (2)Random size and direction 回上一頁

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

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

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

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。 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

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

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

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。 回上一頁

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 回上一頁

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

CNT邏輯元件 回上一頁

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

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。 現階段是以burn out的方法來分離。 回上一頁

Burn out 此方法是在2001年4月由IBM所提出。 回上一頁 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

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

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

經電場排列後之碳管 回上一頁

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

(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

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

(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

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