碳纳米管室温单电子器件的构建和特性测量

　　研究快讯碳纳米管室温单电子器件的构建和特性测量彭练矛12 +陈清1梁学磊2车仁超2夏洋3薛增泉1吴全德1（1北京大学电子学系北京1⑴871）（2中国科学院物理研究所电子显微镜为通过CVD方法在硅衬底上制备的多壁碳纳米管膜的透射电镜照片。这些结果以及详细的成分分析表明铁原子团簇己被填充到了纳米碳管的内部，而且这些铁原子团簇对碳管的外部形貌产生了相当大的影响。可能的影响是通过两个途径所造成的。首先值得强调的是铁原子团簇进入碳管和碳管的生长基本是同时发生的。铁原子团簇可以直接影响碳管的生长。另一个值得注意的事实是铁和碳的热膨胀系数是不一样的。高分辨电镜结果分析表明一些铁金属团簇或颗粒是紧贴着碳纳米管壁生长的。由于不同的热膨胀系数，变化温度铁金属颗粒不可避免地要对外部的碳管壁产生应力。当应力足够大时可以将局部的碳管从金属性的转变为绝缘性的，在金属颗粒之间形成一系列串联着的孤立库仑岛。

　　本研究用的纳米碳管晶体管是通过在如所示的微电极上组装碳纳米管来制备的。微电极是采用传统的微加工技术制备的。首先在掺杂的半导体Si基底上生长一层厚度约为200nm的Si2绝缘层。

　　在这个绝缘层上再采用光刻方式制备出约60nm厚的TiNAlSi电极结构。中衬底较暗的区域为TiNAlSi电极，衬度较亮的区域为裸露在外面的SiO2绝缘层。图的下部所显示的亮度为纳米碳管，碳管的两端为通过聚焦离子束工作站（FTB）。所示的电极加纳米碳管结构实际上也就是一个*简单的纳米碳管场效应晶体管。图左边的电极可以作为三极管的源，图右边的电极可以作为漏。纳米碳管作为导电通道源漏电极间的导电通道。Si2绝缘层下面的Si基底作门级，用以调节纳米碳管中的电流。

　　对于所示的纳米碳管场效应晶体管的电学特性测量表明纳米碳管可以表现出明显不同的两类电学特性。一类碳管的源漏间的电流随源漏电压的变化或I一V曲线基本显线性关系，且基本不随门电压变化。这种电学特征表明相应的主要导电管壁是金属型的。另一类碳管显现明显的电压随电流的非线性关系，而且其源漏电流明显地受到了门电压的调制。这种电压电流特性表明相应的主要的导电碳纳米管壁是半导体型的，基本特征与传统的场效应晶体管基本相同。细致的测量表明在弱场条件下多壁碳纳米管主要是通过*外层的一层管壁来传输电流的，并非所有管壁都参与导电过程。导电的管壁可以是金属性的也可以是半导体性的。通过加载较大的偏压，我们可以可控地烧掉*外层的有效的导电管壁，用同一根纳米碳管实现从金属性至半导体性或半导体性至金属性的转变。

　　对一根典型纳米碳管在（a）T=4.8K和（b）室温T=273K下测量所得电压一电流特性曲线，图所示为另一根纳米碳管在室温测量所得电压一电流特性曲线（a）所示为对一根典型的金属型的纳米碳管在低温48K时测量所得的I一V曲线。这条I一V曲线在零偏压附近显现出了一个非常清晰的单电子平台。这个台阶的产生是由于被限制在一个孤立的量子或“库仑岛”中的电子对外来的电子有很强的静电库仑排斥力。在较小的源漏偏压下外来的电子由于这个库仑排斥力不能进入“库仑岛”，导致在一定的偏压范围内电流不随电压变化，即在I一V曲线中出现一个平台。一般来讲这个平台的宽度是和文章前面所讲的库仑充电能Ec成正比的，即只有当从源电极出来的电子在偏压下获得足够大的能量时才能克服“库仑岛”中电子的排斥力进入并通过发，外来电子可能在很小的偏压下也有一定的几率进入并通过“库仑岛”，使得单电子平台逐渐变小。一般来讲温度越高单电子效应越不容易被观察到，室温单电子器件很难实现。然而（b）清楚地表明直至室温单电子平台仍未完全消失。（c）所示为对另一根纳米碳管测量所得的更为复杂的I一V曲线，若干间距不等的平台隐约可见，相应的电导曲线更清晰地表明存在有若干个电导峰。由于我们的纳米碳管晶体管的源漏电极间的有效碳管长度一般为一个微米以上，一般情况下在室温是不应该观察到单电子效应的。但如我们前面所讲，真正起决定作用的有效单电子库仑岛实际上是位于两个原子团簇间的一段碳管。如（b）所示，在我们的纳米碳管中填充进了一系列的金属铁颗粒。有效的导电通道可以等效为一系列尺寸大小不等的串联的库仑岛。整个纳米碳管单电子器件的*高工作温度是由充电能*高或有效尺度*小的库仑岛所决定。我们的透射电镜结果表明不少碳管都存在有很靠近的原子团簇，室温单电子效应是完全有可能的。（c）表明在相应的纳米碳管中存在不止一个工作温度高于室温的单电子库仑岛。由于在生长过程中我们可以调节碳管中的原子团簇间距，预计通过进一步减小原子团簇间距可以制备出工作温度更高的纳米碳管单电子晶体管。