一种纳米材料及在场效应晶体管纳米器件的应用制造技术

一种纳米材料，其直径为１～２００纳米、长度为０．０１～５０微米的单壁或多壁碳纳米管或其它纳米线，在该碳纳米管上带有用氧化铝、氧化硅、或氧化铪等氧化物包覆的绝缘层。其制备方法采用超临界流体作为不良溶剂将极性硝酸盐从良溶剂中相分离包覆在碳纳米材料表面，形成金属氧化物绝缘包覆层，在带有绝缘层的碳纳米材料两端裸露区域原位沉积Ｐｔ电极作为源、漏电极，在包覆有金属氧化物绝缘层的区域沉积Ｐｔ电极作为栅电极。在室温下这种材料具有明显的场效应现象，调控器件所需的栅极电压较通常结构的场效应晶体管低，且在一块电路版上的每个器件能分别通过专有的栅电极操控。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米材料，具体地涉及一种包覆有绝缘层的碳纳米材料。本专利技术还涉及上述纳米材料在场效应晶体管纳米器件方面的应用。
技术介绍
碳纳米管等一维纳米材料由于其独特的电学和力学性质，而成为极具潜力的基础科学研究和制备纳米尺度器件的材料。目前利用碳纳米管和纳米线已经制备了不同的电子元器件，如二极管、场效应晶体管和倒相器。(1Derycke，V.；Martel，R.；Appenzeller，J.；Avouris，Ph.Nano.Lett.2001，1，453.2Martel，R.；Schmidt，T.；Shea，H.R.；Hertel，T.；Avouris，Ph.Appl.Phys.Lett.1998，73，2447.3Fuhrer，M.S.；Kim，B.M.；Durkop，T.；Brintlinger，T.Nano.Lett.2002，2，755.4Liu，X.L.；Lee，C.L.；Zhou，C.W.；Han，J.Appl.Phys.Lett.2001，79，3329.)但是，绝大多数已经报道的一维纳米材料场效应晶体管均使用100nm以上的厚栅极，因此需要相当高的栅极电压来调控器件。另外，使用基底做电极意味着所有器件只能同时调控。既要减小器件尺寸，又想获得较高的工作电流，降低栅极氧化层的厚度是关键。具有宽能带的材料能与半导体层形成比较大的势垒，相同的厚度可比窄能带的绝缘层更显著地减少漏电流。氧化铝能带宽达9eV，介电常数也高达8.6-10(常用的氧化硅为3.9)。与此同时，氧化铝还具有低渗透性、高热稳定性等诸多优点。尽管有这么多诱人的优点，至今还没有氧化铝作为栅极绝缘层包覆一维纳米材料的实验报道，主要是因为氧化铝熔点非常高，无法采用常规的化学气相沉积(CVD)等方法。另外，利用原子层沉积(ALD)或分子束外延(MBE)技术虽然可以制作氧化铝绝缘层(1Ye，P.D.，Wilk，G.D.；Yang，B.；Kwo，J.；Chu，K.K.；Bude，J.Appl.Phys.Lett.2003，83，180.2Hong，M.；Kwo，J.；Kortan，A.R.；Mannaerts，J.P.；Sergent，A.M.Science1999，283，1897.)，但工序复杂价格昂贵，且只能制作较大面积的绝缘层膜，不利于单个器件的单独制作与控制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米材料。本专利技术的又一目的在于提供一种用上述纳米材料制备场效应晶体管纳米器件的方法。为实现上述目的，本专利技术提供的纳米材料是带有绝缘层的一维纳米材料，为直径为1～200纳米、长度为0.01～50微米的单壁或多壁碳纳米管或其它纳米线，在该碳纳米管上带有用氧化铝、氧化硅、或氧化铪等氧化物包覆的绝缘层。本专利技术利用上述纳米材料制备场效应晶体管纳米器件的步骤，是先制备碳纳米材料，然后将该材料制备成场效应晶体管纳米器件。本专利技术的制备方法，采用超临界流体作为不良溶剂将极性硝酸盐从良溶剂中相分离包覆在一维纳米材料表面，在适当温度下硝酸盐缓缓分解，在一维纳米材料外壁形成不连续、稳定的金属氧化物绝缘包覆层。二氧化碳等超临界流体与传统的溶剂相比有许多优点它不可燃、基本无毒并且环境友好，它比较低的临界温度(31.1℃)和压力(73.8巴)很容易得到，因而，许多研究者称之为一种“可持续的绿色溶剂”(Cooper，A.I.Adv.Mater.2001，13，1111.)。超临界的二氧化碳的粘度比许多液态溶剂低得多，它相当低的表面张力和表面能—甚至比许多全氟化碳低—使其具有很好的润湿性能，有利于硝酸盐沉积在碳纳米管外壁。同时，采用超临界的二氧化碳，产品容易分离和纯化，溶剂用量少。利用聚焦离子束(FIB)直接观察选择合适的带有绝缘层的一维纳米材料，并在裸露的一维纳米材料两端原位沉积Pt电极作为源、漏电极，在包覆有金属氧化物绝缘层的区域沉积Pt电极作为栅电极。在室温下这种材料具有明显的场效应现象，调控器件所需的栅极电压较通常结构的场效应晶体管低，且在一块电路版上的每个器件能分别通过专有的栅电极操控。本专利技术的制备方法包括下列步骤 第1步，一维纳米材料的纯化和处理(以碳纳米管为例)将单壁或多壁碳纳米管加入到质量为其102～104倍的硫酸和硝酸的混和酸中，硫酸与硝酸体积比为2∶1～4∶1，超声1～5小时，用蒸馏水稀释后过滤，并洗至中性，真空干燥，得到长度为0.01～50微米的纯化的碳纳米管；第2步，一维纳米材料的绝缘层包覆将上述经纯化处理后的碳纳米管和硝酸盐乙醇溶液按1∶5～1∶20的质量比加入到高压容器后，放入恒温水槽，当温度恒定在60～150℃，优选为80～100℃，通过泵压注入二氧化碳，使压力达到5.0×106～15×106帕斯卡，优选为7×106～10×106帕斯卡，保持2～24小时后，将温度降至室温，容器减压放空，取出样品真空干燥后，得到金属氧化物不连续包覆的碳纳米管。所述的氧化物包括氧化铝、氧化硅、氧化铪等。第3步，在热氧化的二氧化硅表面用光刻技术制备Ti/Au电极对阵列；第4步，然后把制备的带有绝缘层的一维纳米材料分散在丙酮溶液里，将一滴此悬浮液滴在带电极对的二氧化硅基底上；第5步，待溶剂挥发完全后，放入聚焦离子束系统的真空室内，观察选择合适的带有绝缘层的一维纳米材料，并在裸露的一维纳米材料两端原位沉积Pt电极作为源、漏电极，在包覆有金属氧化物绝缘层的区域沉积Pt电极作为栅电极，原位沉积Pt引线与Ti/Au电极相连；第6步，对得到的带有绝缘层的一维纳米材料场效应器件进行性能检测。本专利技术的制备方法中，所述Ti/Au电极对阵列，其电极宽度为0.3～1.5微米，对电极间距1～9微米。本专利技术的制备方法中，所述碳纳米管直径为1～200纳米、长度为0.01～50微米；Pt电极引线的宽度在300纳米到500纳米之间。本专利技术的制备方法中，所述的进行场效应性能的检测，是利用HP4140B半导体测试仪和MP1008探针台，在源漏电压为-2～10V的范围内扫描，从而得出器件的输出性能。这些性能是在室温空气中测量得到的。本专利技术的制备方法中，其产品是p型场效应晶体管。本专利技术提供的带有绝缘层的一维纳米材料及电子器件的制备方法具有以下特征和优点 1.本专利技术第一次公开了通过超临界流体技术、相分离技术为一维纳米材料包覆绝缘层的方法。2.本专利技术公开的方法，与传统单纯的相分离技术相比，大大提高了包覆效率，切实可行，操作方便可控。产品容易分离和纯化，溶剂用量少。3.本专利技术采用的超临界二氧化碳，安全可靠，不燃烧，无毒无污染，是一种可持续的绿色溶剂。4.本专利技术公开的方法，可以大量而有效地得到带有绝缘层的一维纳米材料，这为大量纳米尺度电子器件打下坚实的基础。5.本专利技术制备纳米器件的电极利用了聚焦离子束光刻技术，可以直接观察选择合适的单根带有绝缘层的一维纳米材料，并能在裸露的一维纳米材料两端原位沉积Pt电极作为源、漏电极，在包覆有金属氧化物绝缘层的区域沉积Pt电极作为栅电极。工艺简单，而且接触电阻小。附图说明图1为本专利技术通过超临界二氧化碳为一维纳米材料制作绝缘层的装置结构示意图，其中1-二氧化碳气瓶，2-注射泵，3、5、7-阀门，4-数字气压计，6-不锈钢高压容器，8-水槽，9-控温仪；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种纳米材料，其直径为１～２００纳米、长度为０．０１～５０微米的单壁或多壁碳纳米管或其它纳米线，在该碳纳米管上带有用氧化铝、氧化硅、或氧化铪等氧化物包覆的绝缘层。

【技术特征摘要】
1.一种纳米材料，其直径为1～200纳米、长度为0.01～50微米的单壁或多壁碳纳米管或其它纳米线，在该碳纳米管上带有用氧化铝、氧化硅、或氧化铪等氧化物包覆的绝缘层。2.一种用权利要求1所述纳米材料制备场效应晶体管纳米器件的方法，包括下列步骤第1步，碳纳米材料的纯化和处理将碳纳米材料加入到质量为其102～104倍的硫酸和硝酸的混和酸中，硫酸与硝酸体积比为2∶1～4∶1，超声1～5小时，过滤，洗至中性，真空干燥，得到长度为0.01～50微米的纯化的碳纳米管；第2步，碳纳米材料的绝缘层包覆将步骤1的碳纳米管和硝酸铝、硝酸硅或硝酸铪的乙醇溶液按1∶5～1∶20的质量比加入到高压容器后，放入60～150℃恒温水槽，注入二氧化碳，使容器内压力达到5.0×106～15×106帕斯卡，保持2～24小时后，降至室温，取出样品真空干燥后，得到氧化铝、氧化硅、或氧化铪包覆的碳纳米管；第3步，在热氧化的二氧化硅表面用光刻技术制备Ti/Au电极对阵列；第4步，将步...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘云圻，付磊，刘志敏，曹灵超，魏大程，韩布兴，朱道本，
申请(专利权)人：中国科学院化学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]