碳納米管分子內p-n結二極管及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種二極管制作技術，具體是一種碳納米管分子內P-n結二極管及其制備方法。
【背景技術】
[0002]隨著電子技術的發展，電子器件的尺寸已經由微米級進入到納米級。然而，隨著器件尺寸的進一步縮小，由于量子效應的影響，傳統的材料已經不再適用。碳納米管是一種具有優異的機械性能和電子性能的一維納米材料，被認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被成功制作出來，比如場效應晶體管，整流器以及存儲器等。
[0003]與微電子器件類似，各種納米結將是未來納米電路構建的主要單元。目前，主要是利用物理的方法來構筑各種納米結，方法復雜，性能難以調控。與傳統硅器件相類似，利用化學摻雜的方法來調控碳納米管的導電特性，使其一端呈現P型，而另一端呈現η型，這樣就可以制作碳納米管分子內P-n結二極管。這種分子內二極管展現出很好的整流特性，可以被用來制作整流電路和邏輯門電路。
[0004]經過對現有技術的檢索發現，中國專利文獻號CNlO 1656278，公開(公告)日2010.02.24，公開了一種能源領域的基于無序網狀碳納米管薄膜的太陽能微電池的制備方法，采用自組裝技術制備得到無序網狀碳納米管薄膜，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狀半導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的金屬分別作為器件的非對稱電極與半導體碳納米管接觸，在半導體碳納米管的兩端接觸處分別形成非對稱結，從而在單壁半導體碳納米管內形成強的內建電場，促使光生電子-空穴對分離。但無序網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，從而無法完全發揮碳納米管的優異性能。另外，非對稱結構不能夠實現對器件性能的調控。

【發明內容】

[0005]本發明針對上述現有技術的缺陷和不足，提出一種具有化學摻雜的碳納米管分子內p-n結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定性。
[0006]本發明通過以下技術方案實現:
[0007]本發明涉及一種基于單根碳納米管的p-n結二極管的制備方法，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P-n結二極管。
[0008]所述的定位，通過將經超聲分散的碳納米管溶液涂敷于基片表面，待溶劑揮發完全后，用掃描電子顯微鏡對基片進行觀察并選出長度為3μπι以上的碳納米管，借助于基片上預先制作的十字標記對碳納米管進行定位。
[0009]所述的碳納米管，優選為單壁半導體性碳納米管，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]所述的十字標記可以采用掩模光刻和磁控濺射技術獲得。
[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，通過調控功率、時間參數使金屬電極厚度達到I OOnm。
[0014]所述的金屬電極優選為對稱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。
[0016]所述的選擇性曝光，其尺寸可以根據所用碳管長度進行調節，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，優選在每層旋涂后在高溫下進行烘膠。
[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現P型摻雜，或將碳納米管的另一端進行開窗口曝光并將其浸泡于聚乙烯亞胺溶液中而實現η型摻雜，從而得到單根碳納米管分子內P-n結二極管。
[°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，該溶液的濃度優選為20wt %。
[0022]本發明涉及上述方法制備得到的基于單根碳納米管的p-n結二極管，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]本發明涉及上述基于單根碳納米管的p-n結二極管的應用，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。
技術效果
[0024]與現有技術相比，本發明采用化學摻雜的方法，制備得到的器件具有優良的整流特性，在室溫空氣中性能穩定。本發明通過施加不同柵壓和改變摻雜參數，可以自由實現對二極管性能進行調控。
【附圖說明】
[0025]圖1為實施例1制備的碳納米管分子內p-n結二極管的SEM圖；
[0026]圖2為實施例1制備的碳納米管分子內p-n結二極管的1-V曲線。
【具體實施方式】
實施例1
[0027]本實施例包括以下步驟:
[0028]第一步，將濃度為0.025mg/mL的半導體性單壁碳納米管異丙醇溶液涂敷于硅片表面。待溶劑揮發完全后，用掃描電子顯微鏡對其進行觀察并選出長度為3μπι的單根碳納米管，借助于基片上預先制作的十字標記對碳納米管進行定位。
[0029]第二步，利用電子束光刻和磁控濺射技術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對碳納米管的一端進行開窗口曝光，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。
[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現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對碳納米管的另一端進行開窗口曝光，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。將其浸泡于聚乙烯亞胺溶液中而實現另一半碳納米管的η型摻雜。
[0033]將本實施例制備得到碳納米管分子內p-n結二極管在黑暗的條件下進行1-V性能測試，測量電壓范圍為-1OV到+10V。結果表明隨著正向電壓的增大，器件電流以指數的方式增加;在施加反向偏壓時，器件幾乎沒有電流，器件表現出良好的整流特性(如圖2)。
實施例2
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