碳納米管分子內(nèi)p-n結(jié)二極管及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種二極管制作技術(shù)，具體是一種碳納米管分子內(nèi)P-n結(jié)二極管及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電子器件的尺寸已經(jīng)由微米級進(jìn)入到納米級。然而，隨著器件尺寸的進(jìn)一步縮小，由于量子效應(yīng)的影響，傳統(tǒng)的材料已經(jīng)不再適用。碳納米管是一種具有優(yōu)異的機(jī)械性能和電子性能的一維納米材料，被認(rèn)為是制作未來納米器件的首選。目前，基于碳納米管的很多納米電子器件已經(jīng)被成功制作出來，比如場效應(yīng)晶體管，整流器以及存儲器等。
[0003]與微電子器件類似，各種納米結(jié)將是未來納米電路構(gòu)建的主要單元。目前，主要是利用物理的方法來構(gòu)筑各種納米結(jié)，方法復(fù)雜，性能難以調(diào)控。與傳統(tǒng)硅器件相類似，利用化學(xué)摻雜的方法來調(diào)控碳納米管的導(dǎo)電特性，使其一端呈現(xiàn)P型，而另一端呈現(xiàn)η型，這樣就可以制作碳納米管分子內(nèi)P-n結(jié)二極管。這種分子內(nèi)二極管展現(xiàn)出很好的整流特性，可以被用來制作整流電路和邏輯門電路。
[0004]經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利文獻(xiàn)號CNlO 1656278，公開(公告)日2010.02.24，公開了一種能源領(lǐng)域的基于無序網(wǎng)狀碳納米管薄膜的太陽能微電池的制備方法，采用自組裝技術(shù)制備得到無序網(wǎng)狀碳納米管薄膜，使用甲烷等離子體選擇性刻蝕法或大電流燒斷法去除金屬性碳納米管，得到大面積的無序網(wǎng)狀半導(dǎo)體性碳納米管薄膜作為太陽能微電池的光敏材料。使用具有非對稱功函數(shù)的金屬分別作為器件的非對稱電極與半導(dǎo)體碳納米管接觸，在半導(dǎo)體碳納米管的兩端接觸處分別形成非對稱結(jié)，從而在單壁半導(dǎo)體碳納米管內(nèi)形成強(qiáng)的內(nèi)建電場，促使光生電子-空穴對分離。但無序網(wǎng)狀碳納米管薄膜增加了碳納米管與碳納米管之間的接觸電阻，從而無法完全發(fā)揮碳納米管的優(yōu)異性能。另外，非對稱結(jié)構(gòu)不能夠?qū)崿F(xiàn)對器件性能的調(diào)控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明針對上述現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不足，提出一種具有化學(xué)摻雜的碳納米管分子內(nèi)p-n結(jié)二極管及其制備方法，該器件具有良好的整流特性和性能穩(wěn)定性。
[0006]本發(fā)明通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0007]本發(fā)明涉及一種基于單根碳納米管的p-n結(jié)二極管的制備方法，通過在定位于基片上的碳納米管的兩端采用電子束光刻和磁控濺射方式制作金屬電極，然后通過旋涂光刻膠并選擇性曝光后對單根碳納米管的左右兩部分分別進(jìn)行P型摻雜和η型摻雜，從而制備得到單根碳納米管分子內(nèi)P-n結(jié)二極管。
[0008]所述的定位，通過將經(jīng)超聲分散的碳納米管溶液涂敷于基片表面，待溶劑揮發(fā)完全后，用掃描電子顯微鏡對基片進(jìn)行觀察并選出長度為3μπι以上的碳納米管，借助于基片上預(yù)先制作的十字標(biāo)記對碳納米管進(jìn)行定位。
[0009]所述的碳納米管，優(yōu)選為單壁半導(dǎo)體性碳納米管，直徑為0.9?1.8nm，長度為2?5
μ??ο
[0010]所述的碳納米管溶液的溶劑采用但不限于異丙醇、乙醇、甲醇等易揮發(fā)的溶劑。
[0011]所述的基片采用但不限于具有S12熱氧化層的硅片。
[0012]所述的十字標(biāo)記可以采用掩模光刻和磁控濺射技術(shù)獲得。
[0013]所述的電子束光刻，采用光柵10、電壓20kv、束流值100;所述的磁控濺射，通過調(diào)控功率、時(shí)間參數(shù)使金屬電極厚度達(dá)到I OOnm。
[0014]所述的金屬電極優(yōu)選為對稱Au電極，其寬度為0.5?1.5μηι，對電極間距離為2?1μπι，厚度為lOOnm，其中Ti為打底層，厚度為1nm0
[0015]所述的選擇性曝光是指:碳納米管被曝光的部分經(jīng)顯影和定影之后將被暴露在空氣中。未曝光的部分將受到光刻膠PMMA的保護(hù)。
[0016]所述的選擇性曝光，其尺寸可以根據(jù)所用碳管長度進(jìn)行調(diào)節(jié)，一般為0.5*1μπι?I.5*3μπι0
[0017]所述的光刻膠分兩層:第一層分子量495的PMMA光刻膠，厚度約為200nm，第二層分子量950的PMMA光刻膠，厚度約為lOOnm。
[0018]所述的光刻膠，優(yōu)選在每層旋涂后在高溫下進(jìn)行烘膠。
[0019]所述的摻雜是指:將曝光后的器件浸泡于六氯銻酸三乙基氧鑰溶液中，暴露在外的碳納米管一端將實(shí)現(xiàn)P型摻雜，或?qū)⑻技{米管的另一端進(jìn)行開窗口曝光并將其浸泡于聚乙烯亞胺溶液中而實(shí)現(xiàn)η型摻雜，從而得到單根碳納米管分子內(nèi)P-n結(jié)二極管。
[°02°]所述的六氯銻酸三乙基氧鑰溶液(OA)的溶劑為二氯乙烷，該溶液的濃度優(yōu)選為
10mg/mLο
[0021]所述的聚乙烯亞胺溶液(PEI)的溶劑為甲醇，該溶液的濃度優(yōu)選為20wt %。
[0022]本發(fā)明涉及上述方法制備得到的基于單根碳納米管的p-n結(jié)二極管，依次包括:基片、S12熱氧化層、單根碳納米管以及位于其兩端的對稱Au電極。
[0023]本發(fā)明涉及上述基于單根碳納米管的p-n結(jié)二極管的應(yīng)用，將其用于制備各種電路和光伏器件，具體為:整流電路、邏輯電路或太陽能電池。
技術(shù)效果
[0024]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用化學(xué)摻雜的方法，制備得到的器件具有優(yōu)良的整流特性，在室溫空氣中性能穩(wěn)定。本發(fā)明通過施加不同柵壓和改變摻雜參數(shù)，可以自由實(shí)現(xiàn)對二極管性能進(jìn)行調(diào)控。
【附圖說明】
[0025]圖1為實(shí)施例1制備的碳納米管分子內(nèi)p-n結(jié)二極管的SEM圖；
[0026]圖2為實(shí)施例1制備的碳納米管分子內(nèi)p-n結(jié)二極管的1-V曲線。
【具體實(shí)施方式】
實(shí)施例1
[0027]本實(shí)施例包括以下步驟:
[0028]第一步，將濃度為0.025mg/mL的半導(dǎo)體性單壁碳納米管異丙醇溶液涂敷于硅片表面。待溶劑揮發(fā)完全后，用掃描電子顯微鏡對其進(jìn)行觀察并選出長度為3μπι的單根碳納米管，借助于基片上預(yù)先制作的十字標(biāo)記對碳納米管進(jìn)行定位。
[0029]第二步，利用電子束光刻和磁控濺射技術(shù)在碳納米管兩端制作Au電極(如圖1)，對電極間距為2μηι，寬度為2μηι。
[0030]第三步，基片上涂敷電子束光刻膠，利用電子束光刻技術(shù)對碳納米管的一端進(jìn)行開窗口曝光，窗口大小為1μπι*2μηι。碳納米管被曝光的部分(Ιμπι)經(jīng)顯影和定影之后將被暴露在空氣中。未曝光的部分(Iym)將受到光刻膠PMMA的保護(hù)。
[0031]第四步，將器件浸泡于六氯銻酸三乙基氧鑰溶液中，暴露在外的半根碳納米管將實(shí)現(xiàn)P型摻雜，用丙酮去除PMMA光刻膠。
[0032]第五步，重新在基片上涂敷電子束光刻膠，利用電子束光刻技術(shù)對碳納米管的另一端進(jìn)行開窗口曝光，窗口大小為?Μ?*2μπι。碳納米管被曝光的部分(Ιμπι)經(jīng)顯影和定影之后將被暴露在空氣中。未曝光的部分(Ιμπι)將受到光刻膠PMMA的保護(hù)。將其浸泡于聚乙烯亞胺溶液中而實(shí)現(xiàn)另一半碳納米管的η型摻雜。
[0033]將本實(shí)施例制備得到碳納米管分子內(nèi)p-n結(jié)二極管在黑暗的條件下進(jìn)行1-V性能測試，測量電壓范圍為-1OV到+10V。結(jié)果表明隨著正向電壓的增大，器件電流以指數(shù)的方式增加;在施加反向偏壓時(shí)，器件幾乎沒有電流，器件表現(xiàn)出良好的整流特性(如圖2)。
實(shí)施例2
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