碳納米管在微納電子器件中的應(yīng)用與研究

張慶玲 李運琴

（1. 江蘇中建工程設(shè)計研究院有限公司河南分公司，河南 鄭州450007；2. 國家能源大規(guī)模物理儲能技術(shù)（畢節(jié)）研發(fā)中心，貴州 畢節(jié)551700）

碳納米管是日本電鏡專家Iijima于20世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)，可將其看作單層或多層石墨片圍繞中心軸卷曲而成的無縫管狀材料。碳納米管的碳原子之間形成SP2 雜化，以碳-碳σ 鍵相連成管狀，碳原子上存在未成對的p 電子位于垂直石墨片層的π 軌道上，共軛效應(yīng)顯著，故其具有獨特的電學(xué)性質(zhì)。碳納米管主要有三種不同的卷曲方式，扶手型、鋸齒型和螺旋型管材料，表現(xiàn)出不同的金屬性和半導(dǎo)體性質(zhì)。而且由于SP2雜化結(jié)構(gòu)對聲子的傳導(dǎo)作用，使管軸方向具備優(yōu)良的傳熱性能。因為碳納米管在機、熱、電方面具備優(yōu)異的性能，使之日益受到廣大研究者的青睞。近年來，將碳納米管應(yīng)用于微納電子器件中的研究逐漸發(fā)展成為一種主流，應(yīng)用前景廣闊。

1 碳納米管的制備方式

碳納米管可通過電弧法、化學(xué)汽相沉積法、激光蒸發(fā)法、氣體燃燒法、輝光放電法及催化劑高溫?zé)峤夥ǖ确椒ㄟM行制備，其中電弧法、化學(xué)汽相沉積法及激光蒸發(fā)法是主要的制備方法。

電弧法制備：在氮氣氛圍中，以粗石墨棒為陰極，細石墨棒為陽極，通過高電流形成電弧放電，放電過程中陽極的石墨棒被消耗，并在陰極上沉淀出碳納米管產(chǎn)物。電弧法是最早應(yīng)用于制備碳納米管的方法，經(jīng)過不斷的改進，該方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和實驗基礎(chǔ)研究。

化學(xué)汽相沉積法制備：以含有C元素的有機氣體作為碳源，添加過渡金屬催化劑，在600～1300℃內(nèi)發(fā)生催化裂解，合成碳納米管。化學(xué)汽相沉積法是目前最常用的制備方法，可分為基體法、浮游法和噴淋法等。但是通過化學(xué)汽相沉積法制備的碳納米管石墨化程度很低且缺陷較多，所以必須進行后處理來改善碳納米管的結(jié)構(gòu)。

激光蒸發(fā)法制備：將一根技術(shù)催化劑/石墨混合的材料置于石英管中，升溫至1473K，引入惰性氣體并將激光束聚焦于混合材料上，生成的氣態(tài)碳經(jīng)過催化作用合成碳納米管。該方法因為受激光強度、氣體流速和爐內(nèi)壓強等多因素的影響，重復(fù)性差。

2 碳納米管在微納電子器件中的應(yīng)用

近年來，碳納米管電子學(xué)的研究在材料、器件和電路等方面取得了巨大發(fā)展。碳納米管以其極高的熱導(dǎo)率、獨特的一維輸運結(jié)構(gòu)，為微納電子器件提供了一個重要途徑。本文總結(jié)了CNT在場發(fā)射器、傳感器和晶體管中的應(yīng)用。

2.1 以碳納米管為基礎(chǔ)場發(fā)射器

相比于傳統(tǒng)氧化物發(fā)射器。CNT 場發(fā)射器具有高發(fā)射電流、低閥值電壓、大發(fā)射電流密度和長壽命等優(yōu)點。近年來，研究者對CNT 場發(fā)射器進行了大量的實驗研究究發(fā)現(xiàn)，將鍍金屬、碳化物或氮化物的CNT 作為場發(fā)射器的點電子源，能有效改善CNT 場發(fā)射器的發(fā)射性能。目前技術(shù)上還存在一些技術(shù)問題，場發(fā)射器件屬于真空微電子器件，需要在較高的真空環(huán)境下工作，由于各種材料在工作過程中將放出相當(dāng)數(shù)量的氣體，嚴(yán)重影響了場發(fā)射性能。

2.2 以碳納米管為基礎(chǔ)傳感器

碳納米管有較大的比表面積，且其表面有許多懸掛鍵對氣體有良好的吸附能力，已成為傳感器件的關(guān)鍵部分?；谄浼{米尺寸效應(yīng)和表面電子等多種原因，CNT 修飾在傳統(tǒng)的玻碳、石墨、金等電極表面將有效改善原基底電極的性能，并且該工藝簡單易操作。碳納米管修飾電極，對傳感器響應(yīng)電流、響應(yīng)時間和檢測線性范圍有明顯的影響。研究成果對碳納米管在環(huán)境監(jiān)測、生物醫(yī)藥、國防軍事等領(lǐng)域的應(yīng)用具有巨大的價值。進一步改善碳納米管修飾電極提高傳感器各項性能是一個比較重要的問題。

2.3 以碳納米管為基礎(chǔ)的晶體管

傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管的溝道是單晶硅，電子器件中所用的硅晶體管正達到一個臨界點，無法進行有效擴展以推動電子學(xué)的進步。而碳納米管被認為是最具有潛力替代硅作為晶體管道溝的納米材料之一。2019 年《自然》雜志中美國麻省理工學(xué)院團隊利用碳納米管晶體管制造出16位微處理器，并生成這樣一條信息。這表示用碳納米管取代硅晶體管是可行的。目前碳納米管已經(jīng)表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)和電學(xué)性能，但其自身的缺陷和可變性，限制了其在大規(guī)模系統(tǒng)中的應(yīng)用。

3 結(jié)語

隨著科技進步對器件性能性能更高的要求，低能耗、低成本、高靈敏度等性能的電子器件將是研究者的共同目標(biāo)。以碳納米管為基礎(chǔ)的電子器件，其作為下一代高性能器件研究展示了巨大的應(yīng)用前景和發(fā)展空間。但當(dāng)前碳納米管電子器件的批量制造與產(chǎn)業(yè)化還面臨許多的挑戰(zhàn)，仍需國內(nèi)外研究者的共同努力。