利用调制的复合一维纳米材料制备单电子器件的方法
专利汇可以提供利用调制的复合一维纳米材料制备单电子器件的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 属于纳 电子 学及纳电子器件领域，具体为利用调制的复合一维 纳米材料 构建单电子器件并提高其 工作 温度 到室温或更高的思想和方法。通过在生长过程中控制地在一维纳米结构( 纳米管 )中引入势垒(可以用金属颗粒、成分改变、金属和绝缘体或非晶和晶体的转变、 定位 的电子或 离子注入 )，可以改变纳米管的电学性质。用这种复合纳米材料制备出单电子器件。通过调节势垒的间距，可以控制由此制备的单电子器件的工作温度达到室温或更高温。本发明用于纳电子学研究及单电子器件制备。，下面是利用调制的复合一维纳米材料制备单电子器件的方法专利的具体信息内容。
1.一种制备单电子器件的方法，包括碳纳米管的制备、电极的设计制备及通过组装和纳米加工构成器件，其特征是利用调制的复合一维纳米材料制备单电子器件，通过在生长过程中控制地在一维纳米结构中引入势垒，改变纳米管的电学性质，使单电子器件工作温度提高到室温或更高。
2.根据权利要求1所述的制备单电子器件的方法，其特征是决定单电子器件工作温度的库仑岛的尺寸是由势垒间距决定的。
3.根据权利要求1所述的制备单电子器件的方法，其特征是按下述方法步骤制备：1)用化学气相沉积方法制备碳纳米管，在其生长过程中定时填充过量的金属或非金属引入势垒，得到有调制结构的碳纳米管；2)用微电子光刻技术制备电极；3)将上述有调制结构的碳纳米管在二氯乙烷中超声分散后组装到上述电极上，并可用聚焦离子束工作站或电子束曝光机等纳米加工手段进一步加工改造，最终构成单电子器件。
4.根据权利要求1所述的制备单电子器件的方法，其特征是所述的制备有调制结构的碳纳米管还可采用周期性地改变成分、金属、和绝缘体的转变或定位的电子、离子注入的方法引入势垒。
5.根据权利要求1或3所述的制备单电子器件的方法，其特征是所述的引入势垒制备有调制结构的碳纳米管的具体方法中使用的是0.08克酞氰铁或二茂铁溶解于300毫升左右的芳香类有机溶剂中，如二甲苯。
6.根据权利要求1或3所述的制备单电子器件的方法，其特征是所述的利用微电子光刻技术制备电极，电极间距100纳米到1微米，线宽100到300纳米。
7.根据权利要求1或3所述的制备单电子器件的方法，其特征是所述的将有调制结构的碳纳米管组装到电极上是采用将碳管在二氯乙烷中超声分散后滴洒组装在电极上，通过控制滴洒的溶液浓度和溶液量控制电极上碳管的数目。
8.根据权利要求1或3所述的制备单电子器件的方法，其特征是所述的制备有调制结构的碳纳米管时还可以填充金属Co、Ni、Ag来实现引入势垒。
9.根据权利要求1或3所述的制备单电子器件的方法，其特征是所述的制备有调制结构的碳纳米管时还可以填充非金属N、P来实现引入势垒。
10.根据权利要求4所述的制备单电子器件的方法，其特征是所述的引入势垒制备有调制结构的碳纳米管的具体方法步骤是：1)按常规CVD或电弧放电法制备纯净纳米碳管；2)用电子束曝光方法制作间距20-50纳米、线宽10-30纳米的筛型模板；3)将纳米碳管平铺于一平板基底上，上面加上上述模板；4)将上述结构暴露在高能电子束或离子束下即可进行定位的电子、离子注入；如暴露在合适的化学气氛下即可实现纳米管成分的周期性转变或金属与绝缘体的转变。
11.利用调制的复合一维纳米材料制备单电子器件并提高工作温度至室温或更高的方法用作纳电子学研究和纳电子器件制备。
利用调制的复合一维纳米材料制备单电子器件的方法
技术领域
背景技术
目前单电子器件研究的关键在于如何提高其工作温度。单电子器件的工作温度可以通过其“库仑岛”的充电能EC＝e2/2C来估算，要求EC>>KBT(T为工作温度)。其中最为关键的参数是有效电容C。有效电容C越小其充电能EC越高，工作温度也就越高。构建高工作温度单电子器件的关键在于减小其有效电容。
碳纳米管由于其优异的物理性能和纳米尺寸的管径而成为制备单电子器件的理想材料。但是如何在碳纳米管上得到管轴方向也很小的“库仑岛”仍是一个难题。2001年荷兰Delft大学Dekker研究组通过在一根较长(微米数量级)的碳管上用原子力显微镜人为地引入2个缺陷得到了由一段孤立的碳纳米管线段(25纳米长)构成的“库仑岛”，实现了单电子器件工作温度的室温化(H.W. Postma，T.Teepen，Z.Yao，M.Grifoni and C.Dekker，Nature，293，76(2001).)。但此种方法无法用于大规模的生产。
发明内容
本发明提供了一种简便可行的制备单电子器件的方法。不仅可使器件的工作温度提高到室温或者更高，而且该方法可以适用于实用化的生产。
本发明的技术方案是：利用化学气相沉积方法(简称CVD方法)制备碳纳米管，在纳米碳管生长过程中引入原子团簇到纳米碳管内部。这些原子团簇和碳管相互作用形成局域势垒。每两个局域位垒之间的碳管都可视为孤立的库仑岛。用传统微电子方法结合聚焦离子束或电子束曝光等纳米加工手段制造单电子器件。通过对生长过程的控制调节碳纳米管中团簇的间距来控制库仑岛的大小，从而控制器件的工作温度。器件的工作温度可被提高到室温。
本发明提出的用有调制结构的一维复合纳米材料构建库仑岛实现室温单电子器件的方法较前人的用原子力显微镜针尖对纳米碳管加工的方法简便易行，可同时制备大量器件，可以用于大量生产。通过控制势垒间距控制库仑岛的大小并控制单电子器件的工作温度，可控性高。
附图说明
：图1为本发明方法制备的有调制的复合纳米碳管的低倍形貌像。
图2为本发明方法制备的有调制的复合纳米碳管的高倍像。
图3为本发明方法制备的单电子器件的电极的垂直结构示意图。
图4为本发明方法制备的单电子器件的纳米电极和碳管的显微照片。
图5为本发明方法制备的单电子器件的伏安特性。
图5(a)是4.8K下的测量结果。
图5(b)是室温下的测量结果。
具体实施方式
b、在CVD炉中，在300℃温度段放置一长6厘米的空石英舟，在与其相距18厘米处的875℃温度区放置第二个石英舟，舟内装载上述硅片。
c、把0.08克酞氰铁或二茂铁溶解在300毫升左右的芳香类有机溶剂中，如二甲苯。
d、按照15℃/min速度升温CVD炉，同时通气体，用量为氩气80sccm，氢气65sccm；到达900℃后，控制时间和计量地注射溶有酞氰铁或二茂铁的溶液入炉，一定要滴在第一个石英舟内，观察到上一次的反应物彻底消耗后方可进行下一次注射。
e、反应完毕后，继续通氩气直到冷却。
参见附图所示，图1为通过CVD法制备的有调制的复合纳米碳管的低倍形貌像，图2为有调制的复合纳米碳管的高倍像，图中标尺为50纳米。从图2中清晰可见纳米碳管中填充的铁颗粒(图中显示深色部分)。
(2)利用微电子光刻技术在200纳米厚的氧化硅(下面是硅基底)上制备间距100纳米到1微米，线宽100到300纳米的电极。电极由硅铝合金制成。纳米电极与毫米或亚毫米尺度的接线点也同时利用微电子光刻技术做好。
(3)将碳纳米管在二氯乙烷中超声分散后滴洒组装到电极上，通过控制滴洒的溶液浓度和溶液量控制电极上碳管的数目。用扫描电镜或原子力显微镜检查组装情况，如果直接组装的结构不够理想，可用聚焦离子束工作站或电子束曝光机等纳米加工手段进一步加工和改造。具体加工、改造可以是将多余的纳米管或电极切断，将没有搭在电极上的纳米管用镀纳米尺寸的金属线的方法与电极连接，将接触不够好的地方加镀金属使接触良好。最终构成单电子器件。
(4)用低温台和半导体测试仪测量单电子器件的特性和工作温度。
测量表明本发明方法制备的器件在4.8K下电流-电压曲线出现明显的单电子效应的平台。随着温度的升高，台阶变窄，直到273K台阶仍然存在。表明该单电子器件的工作温度可以高达273K，即室温。
图3所示说明本发明方法制备的单电子器件电极的垂直结构。基底为硅，上面覆盖100-200纳米厚的氧化硅作为绝缘层，氧化硅上面的金属电极是由硅铝合金构成，电极与硅铝合金的界面由氮化钛连接，电极的线宽和间距是用微电子光刻方法按照设计要求制成。由于库仑岛的尺寸是由填充的铁颗粒的间距决定，电极的尺寸和间距对器件性能不起关键作用，电极可以是线宽100到300纳米，间距100纳米到1微米，这样就可采用成熟的微电子技术。纳米碳管将被组装在电极上。
图4为本发明方法制备的单电子器件的纳米电极和纳米碳管的显微照片。图中从左至右的亮线为纳米碳管，上下的五个条带为纳米电极，电极上白亮的部分为利用聚焦离子束加工技术镀的铂，用以降低碳管与电极的接触电阻，其它部分为氧化硅绝缘层。测量时外加电流源与左2和右1电极连接与纳米碳管一起构成回路使电流通过纳米碳管，中间的左3和右2电极与电压测量仪相连。
本发明方法制备的单电子器件的特性和工作温度经测量结果如图5所示。图5(a)为在4.8K下电流-电压曲线，表现出明显的单电子效应的平台。随着温度的升高，台阶变窄，直到273K(室温下)台阶仍然存在(如图5(b)所示)。这表明本发明方法制备的单电子器件的工作温度可以高达273K，即室温，甚至比室温更高一些。
本发明方法制备的单电子器件中，中间两电极之间的碳管长度为几百纳米，如果是由纯净的碳纳米管构成的器件在这个长度一般不应观察到室温下的单电子效应。本发明采用有调制结构的一维复合纳米材料，在本实施例中是填充了铁颗粒的纳米碳管，实现了室温单电子效应。本实施例中铁颗粒与纳米碳管相互作用形成局域势垒，铁颗粒间的纳米碳管就构成了库仑岛。通过透射电镜观察，本实施例中的纳米碳管中间填充的铁颗粒间距(库仓岛)可小至50纳米以下。正是如此小的库仑岛导致了室温单电子效应的出现。同时，由于库仑岛的尺寸是由填充的铁颗粒的间距决定，电极的尺寸和间距对器件性能不起关键作用，电极可以是线宽100到300纳米，间距100纳米到1微米，这样就可采用成熟的微电子技术加工制造，使单电子器件的制造更加现实可行。
实施例2：采用与实施例1相同的方法制备碳纳米管，在其生长过程中也可填充钴、镍等金属或氮、磷等非金属实现调制结构，形成局域势垒；制备电极及将碳纳米管组装在电极上的过程可采用与实施例1相同的方法，最终构成单电子器件。
实施例3：采用周期性地改变成分，金属和绝缘体的转变或定位的电子、离子注入方法引入势垒制备有调制结构的一维复合纳米材料。
(1)按常规CVD或电弧放电法制备纯净的纳米碳管；(2)用电子束曝光方法制作间距20-50纳米、线宽10-30纳米的筛型模板；(3)将纳米碳管平铺于一平板基底上，上面加上上述模板；(4)将上述结构暴露在高能电子束或离子束下即可进行定位的电子、离子注入。如暴露在合适的化学气氛下即可实现纳米管成分的周期性转变或金属与绝缘体的转变。
以与实施1相同的方法制造电极及将调制后的碳纳米管组装在电极上，最终构成单电子器件。
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