宋明旭 王懷鵬 孫翊淋 蔡理 楊曉闊 謝丹

1) (空軍工程大學(xué)基礎(chǔ)部,西安 710051)

2) (清華大學(xué)集成電路學(xué)院,北京 100084)

3) (北京理工大學(xué)集成電路與電子學(xué)院,北京 100081)

碳納米管晶體管作為新一代納米器件,由于缺乏成熟的閾值電壓調(diào)控機(jī)制,仍難以運(yùn)用到實(shí)際邏輯電路中.本文提出了一種簡(jiǎn)單易實(shí)現(xiàn)且能夠大規(guī)模處理的表面摻雜方法,通過(guò)AuCl3的p 型摻雜作用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管閾值電壓的有效調(diào)控,研究了不同摻雜濃度對(duì)碳納米管電學(xué)性能的影響.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,在低摻雜濃度條件下,不僅實(shí)現(xiàn)了晶體管閾值電壓穩(wěn)定調(diào)控,器件導(dǎo)電性能也大幅提高,遷移率提升2—3 倍.更進(jìn)一步地,研究了退火對(duì)摻雜后器件的電學(xué)性能影響,發(fā)現(xiàn)在同等摻雜條件下,退火溫度達(dá)到50 ℃時(shí),p 型摻雜效果最佳.最后采用第一性原理計(jì)算方法,驗(yàn)證了金離子對(duì)碳納米管的摻雜調(diào)控機(jī)制.這項(xiàng)研究為未來(lái)實(shí)現(xiàn)大面積低功耗邏輯電路以及高性能電子器件提供了重要指導(dǎo).

1 引言

碳納米管網(wǎng)絡(luò)作為一種由一定數(shù)量的單壁碳納米管相互連接構(gòu)成的網(wǎng)狀納米薄膜,由于其極好的電學(xué)性能以及良好的穩(wěn)定性而被廣泛研究[1,2].近幾年來(lái),基于碳納米管晶體管的電子器件在大規(guī)模集成電路、太陽(yáng)能電池以及新興的神經(jīng)計(jì)算領(lǐng)域發(fā)展迅速[3-6].然而,當(dāng)前基于碳納米管晶體管的集成電路仍存在諸多挑戰(zhàn),其中實(shí)現(xiàn)有效穩(wěn)定的閾值電壓調(diào)控機(jī)制是目前亟待解決的問(wèn)題[7].

眾所周知,閾值電壓作為場(chǎng)效應(yīng)晶體管的關(guān)鍵電學(xué)參數(shù),它決定了晶體管的不同工作模式和開(kāi)啟電壓,對(duì)于控制功耗以及噪聲容限具有重要作用[8].因此,晶體管閾值電壓調(diào)控的問(wèn)題一直是研究人員關(guān)注的重點(diǎn).Zhong 等[7]在頂柵介質(zhì)HfO2表面依次沉積金屬Pd和Sc 作為頂柵電極,通過(guò)改變Pd的厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)碳納米管網(wǎng)絡(luò)晶體管閾值電壓的準(zhǔn)確調(diào)控.這種方式雖然可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閾值電壓連續(xù)準(zhǔn)確調(diào)控,但是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜難以實(shí)時(shí)調(diào)控限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展.除此之外,研究人員提出含氟聚合物或自組裝單分子層在柵極絕緣層表面誘導(dǎo)產(chǎn)生表面偶極子等一系列方式進(jìn)行閾值電壓控制[9-12].但上述幾種調(diào)控方式均存在一定缺點(diǎn),例如有限的調(diào)控能力、結(jié)構(gòu)復(fù)雜以及難以大面積處理等.

表面摻雜作為一種調(diào)控晶體管電學(xué)性能的常用手段,具有操作簡(jiǎn)單且易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),推動(dòng)了電子器件大規(guī)模處理的發(fā)展.這種基于溶液的化學(xué)處理方式,主要通過(guò)在功能層的表面沉積有機(jī)或者無(wú)機(jī)摻雜層,利用摻雜劑和功能層之間的表面電荷轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管電學(xué)性能的調(diào)控[13].相較于體摻雜需要將摻雜劑和半導(dǎo)體在溶液中混合的處理方式,表面摻雜通過(guò)將摻雜劑直接沉積到已經(jīng)形成的碳納米管薄膜的表面,很難引入結(jié)構(gòu)缺陷或者散射中心,因此基本不會(huì)導(dǎo)致晶體管遷移率降低[14,15].作為表面摻雜中常用的p 型摻雜劑,AuCl3已經(jīng)被廣泛用于石墨烯基電子/光電子器件的電學(xué)性能調(diào)控,并且被證明能夠有效降低石墨烯與金屬接觸電阻以及調(diào)控器件的閾值電壓[16-19].近年來(lái),Kim等[20-22]深入研究了AuCl3摻雜碳納米管過(guò)程中金離子和氯離子的作用機(jī)制,并且進(jìn)一步研究了不同退火溫度下碳納米管的電學(xué)性能轉(zhuǎn)換.然而到目前為止,針對(duì)AuCl3對(duì)碳納米管的電學(xué)性能調(diào)控研究,特別是在閾值電壓的穩(wěn)定調(diào)控方面仍缺乏深入研究.本文將充分利用AuCl3對(duì)二維納米器件電學(xué)性能調(diào)控上的優(yōu)勢(shì),對(duì)碳納米管晶體管閾值電壓進(jìn)行有效調(diào)控并通過(guò)密度泛函理論進(jìn)一步驗(yàn)證.

本文提出一種基于溶液的表面摻雜方式,通過(guò)在碳納米管表面旋涂p 型摻雜劑AuCl3,利用金離子和碳納米管網(wǎng)絡(luò)之間表面電荷轉(zhuǎn)移,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)閾值電壓的有效控制.采用拉曼光譜驗(yàn)證了AuCl3對(duì)碳納米管的p 型摻雜效果,并深入研究了不同摻雜濃度對(duì)碳納米管晶體管閾值電壓的調(diào)控作用.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在摻雜濃度小于50 μmol/L 時(shí),晶體管閾值電壓不斷向右偏移,同時(shí)器件導(dǎo)電性能大幅提升,遷移率提升2—3 倍.更進(jìn)一步研究了退火對(duì)晶體管電學(xué)性能的影響,發(fā)現(xiàn)在濃度一定的情況下,退火溫度達(dá)到50 ℃時(shí)摻雜效果達(dá)到最佳.最后利用密度泛函理論計(jì)算摻雜前后碳納米管的能帶結(jié)構(gòu),態(tài)密度以及二次差分電荷密度圖,分析了金離子對(duì)碳納米管的調(diào)控機(jī)制.這項(xiàng)研究為未來(lái)高性能二維電子器件的閾值電壓調(diào)控奠定了基礎(chǔ).

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 材料和器件的制備

AuCl3摻雜的碳納米管晶體管的結(jié)構(gòu)示意如圖1所示.具體制備過(guò)程如下:首先,本文中采用的碳納米管,管徑分布1.2—1.8 nm,碳管長(zhǎng)度1.5—2.0 μm,純度大于99%.溶劑為鄰二甲苯.將Si/SiO2基片依次用丙酮、無(wú)水乙醇和異丙醇沖洗干凈,并用氮?dú)鈽尨蹈蓚溆?隨后將多聚賴(lài)氨酸滴在Si/SiO2襯底表面靜置30 min,對(duì)襯底表面功能化便于吸附碳納米管,然后用去離子水和異丙醇反復(fù)沖洗3 次以便去除多余的多聚賴(lài)氨酸.然后將Si/SiO2基片完全浸沒(méi)在碳納米管的懸浮液中(濃度約為98%)2 h 后,依次用去離子水和異丙醇沖洗并用氮?dú)鈽尯娓?隨后通過(guò)紫外光刻技術(shù)和電子束光刻設(shè)備在碳納米管網(wǎng)絡(luò)表面制備Cr/Au(10 nm/50 nm)電極,并進(jìn)一步采用光刻機(jī)技術(shù)和等離子體刻蝕工藝對(duì)碳納米管網(wǎng)絡(luò)溝道進(jìn)行圖形化.最后,將制備好的器件放在氬氣氣氛下200 ℃條件下退火30 min,完成碳納米管晶體管器件的制備.

圖1 AuCl3摻雜碳納米管器件的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1.Schematic illustration of the AuCl3-doped CNFET device.

2.2 AuCl3溶液的配備及旋涂工藝

將純度99%的AuCl3粉末溶于去離子水中分別配置了10,20,50,100 μmol/L 四種不同濃度的AuCl3溶液.隨后,利用移液槍取出100 μL AuCl3溶液滴在器件溝道表面靜置30 s,然后通過(guò)勻膠機(jī)以5000 r/min 的轉(zhuǎn)速均勻旋涂在碳納米管網(wǎng)絡(luò)表面,時(shí)間大約1 min.隨后,將硅片轉(zhuǎn)移至熱板上,在50 ℃條件下退火5 min.需要特殊說(shuō)明的是,在探究AuCl3濃度對(duì)碳納米管晶體管電學(xué)性能的調(diào)控作用時(shí),退火溫度和退火時(shí)間分別固定在50 ℃和5 min.

2.3 結(jié)構(gòu)和電學(xué)特性表征

采用原子力學(xué)顯微鏡(AFM,SPA 500,Seiko Instruments Inc)觀察碳納米管網(wǎng)絡(luò)表面的形貌.使用拉曼光譜儀(Renishaw,RM-1000 Invia)采集AuCl3摻雜的碳納米管的散射光譜,以表征碳納米管的結(jié)構(gòu)特性.利用Helios G4 CX 型掃描電子顯微鏡獲取X 射線能譜來(lái)分析碳納米管表面金元素的含量和分布.晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線以及輸出特性曲線主要通過(guò)探針臺(tái)和半導(dǎo)體分析儀(Agilent B1500A)進(jìn)行測(cè)量.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 材料表面形貌以及元素分布表征

圖2(a)給出了AuCl3摻雜碳納米管器件的光學(xué)照片,溝道寬度和長(zhǎng)度分別為50 μm和20 μm,陰影部分為碳納米管網(wǎng)絡(luò)薄膜.圖2(b)給出了碳納米管晶體管的AFM 圖,圖中可以清晰地看到均勻分布的碳納米管網(wǎng)絡(luò)以及附著在其表面的金顆粒.由于金離子和碳納米管之間存在氧化還原電勢(shì)差,因此兩者之間會(huì)發(fā)生表面電荷轉(zhuǎn)移[20].碳納米管中的電子由于電勢(shì)差會(huì)被提取到金離子中,金離子被還原成金原子.圖中一些比較亮的斑點(diǎn)是由于在退火過(guò)程中,金顆粒融化形成的比較大的團(tuán)簇.為了進(jìn)一步觀察碳納米管網(wǎng)絡(luò)的形貌以及金元素的分布,圖2(c)和圖2(d)給出了碳納米管的SEM圖以及對(duì)應(yīng)的EDS 圖譜.SEM 觀測(cè)結(jié)果證明了碳納米管致密均勻地排列在Si/SiO2表面,而圖2(d)證實(shí)了分布在碳納米管網(wǎng)絡(luò)表面的金元素的存在.

圖2 AuCl3摻雜碳納米管的表面形貌及元素分析 (a) OM 圖;(b) AFM 圖;(c) SEM 圖;(d) EDS 圖譜Fig.2.(a) Optical image of the CNFET device;(b) AFM image;(c) SEM image of AuCl3-doping CNT;(d) energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) mappings of the Au element.

3.2 AuCl3對(duì)碳納米管電學(xué)性能的調(diào)控作用

圖3(a)給出了AuCl3摻雜前后碳納米管晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線的變化,從圖3(a)可以明顯看出,未摻雜碳納米管晶體管具有明顯的p 型半導(dǎo)體特性.這種p 型特性是由于碳納米管表面吸附空氣中的氧氣而產(chǎn)生的電子提取效應(yīng)[21].在旋涂AuCl3溶液后,碳納米管晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線發(fā)生明顯移動(dòng),開(kāi)關(guān)比保持在105左右,而閾值電壓發(fā)生顯著右移.主要是因?yàn)榻痣x子作為一種典型的p 型摻雜劑,相對(duì)于正常的氫電極具有1.5 V 的還原電勢(shì),明顯高于碳納米管的第一和第二范霍夫奇點(diǎn),因此碳納米管中第一和第二范霍夫奇點(diǎn)電子會(huì)被提取用來(lái)還原金離子,導(dǎo)致碳納米管的費(fèi)米能級(jí)向下移動(dòng),因此AuCl3對(duì)碳納米管具有p 型摻雜效果[20,22].圖3(b)給出了不同柵壓下AuCl3摻雜碳納米管晶體管的輸出特性曲線,在低漏源電壓下這種線性的輸出特性證明了碳納米管網(wǎng)絡(luò)和鉻/金電極之間典型的歐姆接觸.

圖3 摻雜前后碳納米管晶體管轉(zhuǎn)移特性曲線以及摻雜后晶體管的輸出特性曲線Fig.3.(a) Transfer curves (Ids-Vg) of pristine and AuCl3-doping CNFET;(b) output curves (Ids-Vds) of the AuCl3-doping CNFET.

為了進(jìn)一步探究AuCl3濃度對(duì)碳納米管晶體管電學(xué)性能的調(diào)控機(jī)制,分別用10,20,50和100 μmol/L 濃度的AuCl3溶液旋涂在碳納米管晶體管表面,并在50 ℃條件下退火5 min.圖4(a)給出了不同濃度AuCl3摻雜下碳納米管的拉曼光譜,可以明顯看到隨著AuCl3濃度提高,G 帶峰值明顯右移,從1591.12 cm—1到1594.32 cm—1再到1596.78 cm—1.這種拉曼峰明顯右移的現(xiàn)象與p 型碳納米管和金離子之間發(fā)生的電子轉(zhuǎn)移密切相關(guān),進(jìn)一步證實(shí)了金離子對(duì)碳納米管的p 型摻雜效果.同時(shí)G/D 帶峰值強(qiáng)度的比值可以用來(lái)表征缺陷的形成,而摻雜前后沒(méi)有觀察到明顯的D 帶峰以及G/D 帶峰值強(qiáng)度的比值基本沒(méi)有變化,說(shuō)明在摻雜過(guò)程中碳納米管基本沒(méi)有結(jié)構(gòu)缺陷產(chǎn)生.圖4(b)給出了碳納米管晶體管的轉(zhuǎn)移特性隨AuCl3摻雜濃度變化的曲線,從圖4(b)可以看出,隨著AuCl3濃度提高,碳納米管的p 型半導(dǎo)體特性越來(lái)越顯著,開(kāi)關(guān)比逐漸減小,由初始的105減小到10 左右趨于導(dǎo)體特性.進(jìn)一步使用線性外推法從轉(zhuǎn)移特性曲線中提取晶體管的閾值電壓.由圖3(b)可知,在漏源電壓Vds為—1 V 條件下,Ids和Vgs的對(duì)應(yīng)關(guān)系處在線性區(qū)域內(nèi),故采用線性區(qū)計(jì)算公式提取閾值電壓.從轉(zhuǎn)移特性曲線(Ids-Vgs)中選取線性段進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得到y(tǒng)=kx+b,其中

圖4 (a) 不同摻雜濃度下碳納米管的拉曼光譜;(b) 不同摻雜濃度下碳納米管晶體管的轉(zhuǎn)移特性曲線,漏源電壓Vds被固定在—1 V;(c) 閾值電壓隨AuCl3濃度的變化曲線,插圖為從轉(zhuǎn)移特性曲線中提取閾值電壓的計(jì)算方式;(d) 開(kāi)關(guān)比以及遷移率隨AuCl3濃度的變化曲線Fig.4.Modulation of the AuCl3concentration on the electrical performance of CNFET:(a) Raman Spectra of the CNT under different doping concentrations;(b) the transfer curves (Ids-Vg) of a CNFET device with different doping concentrations,with the drain-source voltage fixed at —1 V;(c) threshold voltage value of the doped CNFET device as a function of AuCl3concentration.The inset illustrates the calculation method of threshold voltage extracted from transfer curves;(d) ON/OFF current ratio (Ion/Ioff)and the field-effect mobility ratio (μratio=μdoped/μpristine) as a function of the doping concentrations.

斜率k=和截距b=-Vth-0.5Vds,這里Vt代表晶體管閾值電壓,μ代表晶體管遷移率,Cox代表絕緣層的單位面積電容,Vgs代表柵源電壓,W和L分別代表器件溝道的寬度和長(zhǎng)度.根據(jù)上述公式,晶體管閾值電壓可以被計(jì)算Vth=-0.5Vds-b,如圖4(c)插圖所示.

圖4(c)給出了晶體管閾值電壓隨AuCl3濃度的變化曲線,隨著AuCl3濃度提高,閾值電壓偏移逐漸增大.因此,通過(guò)調(diào)控?fù)诫s濃度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)閾值電壓的有效調(diào)控.相較于之前報(bào)道的閾值電壓調(diào)控方法,這種基于表面改性的摻雜方法在大規(guī)模處理,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單以及更好地保持器件性能方面展現(xiàn)出巨大優(yōu)勢(shì)[23].圖4(d)給出了晶體管遷移率以及開(kāi)關(guān)比隨AuCl3濃度的變化曲線.隨著摻雜濃度不斷升高,晶體管的遷移率提升2—3 倍左右,在AuCl3濃度為50 μmol/L 的條件下,遷移率達(dá)到峰值,是本征碳納米管的3 倍左右.這種遷移率大幅提高的現(xiàn)象是由于在低摻雜條件下(小于50 μmol/L),沉積在碳納米管網(wǎng)絡(luò)表面的金離子數(shù)量較少,導(dǎo)致金離子對(duì)載流子產(chǎn)生的散射作用很小,因此散射對(duì)遷移率所產(chǎn)生的負(fù)面影響很小.另一方面,在引入金離子后,由于金離子強(qiáng)大的還原電勢(shì),碳納米管中的電子會(huì)不斷被提取至金離子,導(dǎo)致作為主要載流子空穴的濃度提高.這種p 型摻雜效果已經(jīng)超過(guò)了散射所帶來(lái)的負(fù)面影響,成為遷移率增大的主要因素.同時(shí),這種化學(xué)摻雜方式既有效調(diào)控了晶體管的閾值電壓,同時(shí)增強(qiáng)了晶體管的其他電學(xué)性能,對(duì)于未來(lái)納米器件的電學(xué)性能調(diào)控具有指導(dǎo)意義.

3.3 退火溫度對(duì)AuCl3摻雜作用的影響

更進(jìn)一步地研究了退火溫度對(duì)AuCl3摻雜碳納米管的電學(xué)特性影響,圖5(a)給出了晶體管的開(kāi)關(guān)比以及閾值電壓隨退火溫度的變化曲線.可以很明顯看出退火溫度在50 ℃以下,隨著溫度升高,開(kāi)關(guān)比逐漸降低,閾值電壓逐漸增大,這表明AuCl3對(duì)碳納米管的p 型摻雜效果越來(lái)顯著.然而,在退火溫度從50 ℃開(kāi)始逐漸升高時(shí),開(kāi)關(guān)比和閾值電壓逐漸恢復(fù),p 型摻雜效果被明顯抑制.這種現(xiàn)象的主要原因是由于沉積在碳納米管表面金離子的數(shù)量在不斷減小,此外在溫度超過(guò)50 ℃時(shí),帶正電荷的碳納米管CNT+和氯離子會(huì)形成具有n 型摻雜特性的CNT—Cl 鍵[22],從而導(dǎo)致p 型摻雜效果退化.圖5(b)給出了遷移率隨退火溫度的變化曲線.在50 ℃時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn),遷移率達(dá)到峰值.由室溫逐漸升高到50 ℃的過(guò)程中,碳納米管由于電子被不斷抽取導(dǎo)致作為主要載流子的空穴濃度不斷升高,因此遷移率相較于本征碳納米管有較大提升.當(dāng)退火溫度繼續(xù)升高時(shí),被還原的金顆粒逐漸融化形成大的團(tuán)簇,導(dǎo)致缺陷或散射中心的形成,從而使得遷移率不斷下降.因此,在50 ℃時(shí)摻雜效果達(dá)到最佳.

圖5 (a) 開(kāi)關(guān)比以及遷移率隨退火溫度的變化曲線;(b) 遷移率的比值隨退火溫度的變化Fig.5.(a) ON/OFF current ratio (Ion/Ioff) and threshold voltage value as a function of annealing temperature;(b) fieldeffect mobility ratio (μratio=μdoped/μpristine) as a function of annealing temperature.

3.4 AuCl3摻雜作用的機(jī)理分析

為深入分析AuCl3摻雜對(duì)于碳納米管電子結(jié)構(gòu)的影響,采用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法對(duì)碳納米管和金/碳納米管系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究.本文所采用的是p 型半導(dǎo)體碳納米管,在進(jìn)行建模時(shí)選擇將碳納米管的手性指數(shù)設(shè)置為(10,0),晶胞設(shè)置為六方晶胞,為保證不同碳納米管的碳原子之間的最小距離不低于10 ?,晶胞參數(shù)設(shè)置為a=b=20.06,c=4.27,α=β=90°,γ=120°,如圖6(a)所示.對(duì)于金/碳納米管的摻雜系統(tǒng),采用了 1×1×3 的超胞,每個(gè)超胞中有一個(gè)金原子,晶胞結(jié)構(gòu)如圖6(b)所示.為了對(duì)摻雜系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)進(jìn)行更精確的描述,采用GGA-PBE[24,25]泛函描述電子的交換關(guān)聯(lián)作用.特別地,為避免贗勢(shì)對(duì)芯電子波函數(shù)的錯(cuò)誤描述,進(jìn)一步采用了投影綴加波(PAW)方法[26,27],平面波截?cái)嗄茉O(shè)置為520 eV.通過(guò)Monkhorst-Pack 方法對(duì)布里淵區(qū)[28]進(jìn)行采樣,k空間采樣密度為 0.03×2π.在計(jì)算電子結(jié)構(gòu)前,對(duì)于每個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行充分的結(jié)構(gòu)優(yōu)化,收斂標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置為每個(gè)原子受力不大于 1.5×10-2eV/ ?.在計(jì)算二次差分密度時(shí),采用Δρ=ρAu/CNT-ρAuρCNT的定義,計(jì)算的二次差分電荷密度圖如圖6(c)所示.在計(jì)算能帶結(jié)構(gòu)時(shí),由于碳納米管是一維結(jié)構(gòu),高對(duì)稱(chēng)性路徑只取Γ →Z,計(jì)算的能帶結(jié)構(gòu)與態(tài)密度如圖6(d)—(f)所示.(10,0)碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)是典型的p 型半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu),計(jì)算得到的帶隙為 0.509 eV,價(jià)帶電子的有效質(zhì)量為-0.128m0.當(dāng)引入金對(duì)碳納米管進(jìn)行摻雜后,如圖6(e)所示,禁帶中引入了一條金元素貢獻(xiàn)的雜質(zhì)能帶,由于金的還原電勢(shì)為 1.5 V,碳納米管價(jià)帶的第一、第二甚至第三范霍夫奇點(diǎn)的電子都會(huì)被注入到禁帶中的雜質(zhì)能帶中,如圖6(c)所示,碳納米管的電子會(huì)被局域在金原子附近,從而有空穴被注入到碳納米管中,產(chǎn)生p 型摻雜.這項(xiàng)理論計(jì)算結(jié)果從電子結(jié)構(gòu)角度驗(yàn)證了金離子對(duì)碳納米管具有p 型摻雜作用,為AuCl3摻雜對(duì)碳納米管進(jìn)行閾值電壓調(diào)控提供理論基礎(chǔ).

圖6 (a),(b) 碳納米管與金/碳納米管的晶胞結(jié)構(gòu);(c) 金/碳納米管的二次差分密度圖;(d) (10,0)碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)圖,虛線為費(fèi)米能級(jí);(e) 金/碳納米管系統(tǒng)的能帶結(jié)構(gòu)和投影能帶,灰色氣泡為每個(gè)k 點(diǎn)處碳元素的權(quán)重,橙色氣泡則為金元素對(duì)應(yīng)的權(quán)重;(f) 金/碳納米管系統(tǒng)的態(tài)密度和投影態(tài)密度,黑色實(shí)線為總態(tài)密度,灰色實(shí)線為投影到碳元素的態(tài)密度,橙色實(shí)線為投影到金元素的態(tài)密度Fig.6.(a) (b) Crystal structures of CNT and Au/CNT are presented in;(c) Au/CNT difference charge density plot;(d) band structure of (10,0) CNT,with dash line the Fermi energy;(e) band structure and projected band structure of each element,with solid line the total bands,gray bubble the projected weights of C,orange bubble the projected weights of Au;(f) total DOS and projected DOS,with black solid line the total DOS,gray solid line PDOS of C,orange solid line PDOS of Au.

4 結(jié)論

本文提出了一種簡(jiǎn)單且能夠大面積處理的表面摻雜方法,通過(guò)在碳納米管網(wǎng)絡(luò)表面旋涂AuCl3溶液并輔以退火處理,利用金離子對(duì)碳納米管的p 型摻雜作用,能夠有效調(diào)控碳納米管晶體管的閾值電壓.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明晶體管閾值電壓可以通過(guò)調(diào)節(jié)AuCl3濃度而被穩(wěn)定調(diào)控.同時(shí)在低于50 μmol/L 的摻雜濃度下,晶體管展現(xiàn)了極好的電學(xué)性能,遷移率提升3 倍左右.更進(jìn)一步地,在同等摻雜條件下,退火溫度保持在50 ℃時(shí),p 型摻雜效果達(dá)到最佳.最后通過(guò)密度泛函理論計(jì)算分析AuCl3摻雜下碳納米管的二次差分密度,能帶結(jié)構(gòu)以及態(tài)密度,從理論角度證明了金離子對(duì)碳納米管具有p 型摻雜作用,為通過(guò)AuCl3摻雜實(shí)現(xiàn)碳納米管晶體管閾值電壓的調(diào)控提供可行性保證.這項(xiàng)通過(guò)摻雜實(shí)現(xiàn)閾值電壓調(diào)控的研究為未來(lái)實(shí)現(xiàn)高性能電子器件及邏輯電路提供了一個(gè)新思路.