南京大学物理系微电子与固体电子学专业学士学位论文
碳纳米管在电子学中的运用
杨铮
第一章 引 言
碳是一种伟大的元素.它是有机化学的核心和生命的基础,但很久以来人们 一直只知道碳单质有两种晶体存在形式:石墨和金刚石.直到 1985 年,三位科 学家①发现了碳单质的第三种晶体存在形式——C60 富勒烯, 人们才认识到碳单质 不仅仅只有两种晶体存在形式.然而当时间又过去了六年时,第四种碳单质形式 被发现了,它就是碳纳米管. 1991 年,日本科学家 Sumio Iijima 在 NEC 基础研究实验室用 HRTEM ②观察 电弧法制备富勒烯留下的沉积物时发现了一些碳的管状物[1].这些碳的管状物就 是我们后来所熟知的多壁碳纳米管③. 1993 年, Iijima 在 NEC 的小组和 D.Bethune 在 IBM 的小组又同时发现了单壁碳纳米管④. 简单地来说,碳纳米管可以看成是由石墨层卷曲而成的圆柱形管状物.所谓 多壁碳纳米管就是由多层石墨层卷曲而成的一系列多个同轴的圆柱形管; 而单壁 碳纳米管是由一层石墨层卷曲而成的圆柱形管. 多壁碳纳米管的管径在几十个纳 米数量级,单壁碳纳米管的管径在几个纳米数量级. 从碳纳米管发现至今,它引起了科学界的广泛注意,很多科学家投入了大量 的精力来研究碳纳米管的性质和应用. 这正是由于碳纳米管有着一系列引人注目 的特性.根据卷曲的角度和管径的不同,碳纳米管既可以表现为金属,也可以表 现为半导体.碳纳米管既可以表现为比铜还好的电导体,还可以表现为比钻石还 好的热导体;它是到目前为止发现的尺寸最小的量子导线;它是强度极高而韧性 极好的物质,并且化学性质又很稳定;它可以在室温下实现很好地储氢.等等这 些在下一章中我都会作详细介绍. 碳纳米管有着广阔的应用前景,特别是应用于电子学.碳纳米管不仅可以构 成电子学上的传统型器件, 比如 pn 结和 FET⑤等, 而且它是极好的一维量子导线, 还可以在低温下构成单电子晶体管.另外,我们正在努力实验,争取实现基于碳 纳米管的单电子自旋器件,从而使其运用到量子计算机领域. 相信当碳纳米管真正成功运用到电子学当中时, 电子学将在真正意义上从微 电子时代步入纳米电子时代,而不仅仅局限于现今半导体工艺光刻尺度的减小.
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碳纳米管在电子学中的运用
杨铮
在讨论碳纳米管运用到电子学之前, 我们还是先简单回顾一下半个多世纪以来微 电子学走过的风风雨雨.人类历史上的第一个半导体器件诞生于 1947 年.这一 年,美国 Bell 实验室的三位伟大的科学家⑥制造出了人类历史上第一只晶体管— —一只基于锗的双极型三极管.从此人类社会迈入了"硅"器时代,它是人类社 会经历了石器时代,铜器时代和铁器时代以来又一次重大的飞跃.基于硅基的微 电子学是二十世纪后半个世纪中对人类社会推动最大的一项科技. 随着时间的推 移微电子学一直按照 Moore 定律⑦持续高速发展,而微电子学的技术和半导体工 艺也不断得到提高,从分离器件到集成电路,再到现在的超大规模集成电路.我 们运用的电脑体积越来越小,而速度却越来越快.我们运用的手机,便携式电脑 等先进的数字化设备以及现在人们常常说的 e 时代, 这一切无不归功于微电子学 的发展,而整个微电子学的基石以及半导体工艺的核心就是——硅. 随着半导体工艺尺寸的不断降低——由微米量级进入了纳米量级, 微电子学 变为了纳米电子学,这时由于量子效应逐渐变得显著和重要起来,硅材料表现出 来的电学性质已大大不同于宏观时的情况.初步地计算,在十年后这个问题或者 说物理极限将成为微电子学发展的重大障碍. 科学家们想了很多方法来解决这个 问题,其中一种方法就是在硅基集成电路中引入碳纳米管,甚至建立完全基于碳 纳米管的电子学. 相信在我们充分研究了解碳纳米管的性质并掌握其定域生长技 术之后, 我们就能将碳纳米管很好地融入到现代的硅基半导体工艺中甚至彻底取 代硅基半导体工艺,从而使半导体器件进一步缩小,解决物理极限问题.到那时 可能半导体工艺的核心就不仅仅是硅,还有碳这个和它同在周期表Ⅳ族的元素.
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碳纳米管在电子学中的运用
杨铮
注
释
C60 的特殊性质及应用前景,这三位科学家获得了 1996 年的 Nobel 化学奖.
① 这三位科学家是英国化学家 H.Kroto,美国科学家 R.Smalley 和 R.Curl.由于
② HRTEM: High Resolution Transmission Electron Microsocope,高分辨透射电镜. ③ 多壁碳纳米管:Multi-Walled Carbon Nanotube. ④ 单壁碳纳米管:Single-Walled Carbon Nanotube. ⑤ FET:Field Effect Transistor, 场效应管. ⑥ 这三位科学家是美国物理学家 J.Bardeen,W.Shockley 和 W.Brattain.由于他 们发明了晶体管并发现了晶体管效应而获得了 1956 年的 Nobel 物理学奖. ⑦ Moore 定律:微电子学中电路的集成度每 18 个月翻一倍,而器件的尺寸每 18 个月缩小为原来的一半.Moore 定律本质上就是说集成度的增加和器件 尺寸的减小是按指数形式进行的. 实际上现在微电子学的发展, 特别是 CPU 中集成度增加的速度已经超过了这个值,不过仍然按照指数形式在发展.

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