[論文レビュー] Semiconducting enriched carbon nanotube align arrays of tunable density and their electrical transport properties

Biddut K. Sarker, Shashank Shekhar+1 more|arXiv (Cornell University)|May 4, 2011

Carbon Nanotubes in Composites参考文献 38被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、99%の純度を有する半導体性単層カーボンナノチューブ（s-SWNT）を交流電界誘導電気泳動（ac-dielectrophoresis）を用いて整列配列にアセンブリし、制御可能な線形密度の配列を実現した。最大密度は25本/μmに達し、これまでに報告された半導体性カーボンナノチューブ配列で最高の記録を更新した。作製されたデバイスは、移動度と電流密度が向上し、シート抵抗が30 kΩ/□にまで低下し、これまでに報告された半導体性ナノチューブ配列で最高の性能を達成した。

ABSTRACT

We demonstrate assembly of solution processed semiconducting enriched (99%) single walled carbon nanotubes (s-SWNT) in an array with varying linear density via ac-dielectrophoresis and investigate detailed electronic transport properties of the fabricated devices. We show that (i) the quality of the alignment varies with frequency of the applied voltage and that (ii) by varying the frequency and concentration of the solution, we can control the linear density of the s-SWNTs in the array from 1/μm to 25 /μm. The maximum linear density of 25 s-SWNT /\mum reported here is the highest for any aligned semiconducting array. The DEP assembled s-SWNT devices provide opportunity to investigate transport property of the arrays in the direct transport regime. Room temperature electron transport measurements of the fabricated devices show that with increasing nanotube density the device mobility increases while the current on-off ratio decreases dramatically. For the dense array, the device current density was 16 μA/μm, on-conductance was 390 μS, and sheet resistance was 30 kΩ/\square. These values are the best reported so far for any semiconducting nanotube array.

研究の動機と目的

• 高純度の半導体性カーボンナノチューブを、制御可能な密度で整列配列にアセンブルするスケーラブルな手法の開発。
• これらの配列の直接輸送領域における電気的輸送特性の調査。
• ナノチューブ密度と整列度の最適化を通じたデバイス性能の最適化。
• 移動度、オンオフ比、電流密度を含む、半導体性カーボンナノチューブ配列で報告された最高の性能指標の達成。

提案手法

• 99%の純度を有する溶液処理可能な半導体性に富んだ単層カーボンナノチューブ（s-SWNT）を、交流電界誘導電気泳動（DEP）を用いて整列化した。
• ナノチューブの整列度を制御するために、印加する交流電圧の周波数を変化させた。
• s-SWNT溶液の濃度とDEP周波数を調整することで、線形密度を1～25本/μmの範囲でチューニングした。
• 室温での電子輸送測定を実施し、移動度、オンオフ比、電流密度、シート抵抗を評価した。
• SiO2/Si基板上にボトムゲート型フィールド効果トランジスタ（FET）デバイスを標準的手順で作製した。
• ナノチューブ密度を変化させた際のデバイス性能を評価し、構造的制御と電気的出力の相関関係を明らかにした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 印加する交流電圧の周波数が、DEPアセンブリにおける半導体性カーボンナノチューブの整列度にどのように影響するか？
• RQ2 溶液濃度とDEP周波数を用いることで、整列したs-SWNTの線形密度をどの程度までチューニングできるか？
• RQ3 整列配列におけるナノチューブ密度の増加に伴い、デバイスの移動度とオンオフ比はどのように変化するか？
• RQ4 整列したs-SWNT配列で達成可能な最大電流密度とシート抵抗は何か？ また、先行研究と比較してどうか？
• RQ5 DEPでアセンブルされたデバイスを用いて、整列したs-SWNT配列における直接輸送領域を効果的にプローブできるか？

主な発見

• 25本/μmの最大線形密度が達成され、整列した半導体性カーボンナノチューブ配列において、これまでに報告された最高値となった。
• ナノチューブ密度の増加に伴いデバイスの移動度が向上し、密度が高い配列ではキャリア輸送が改善されていることが示された。
• 高密度化に伴いオンオフ比が顕著に低下し、ナノチューブ間の結合や欠陥に起因するリーク電流が増加している可能性が示唆された。
• 最も密集した配列では電流密度が16 μA/μmに達し、これまでに報告された半導体性ナノチューブ配列で最高の値となった。
• オンコンダクタンスは390 μSに達し、シート抵抗は30 kΩ/□にまで低下した。両者とも、同種の配列で報告された最高値であった。
• 整列度は印加交流電圧の周波数に強く依存しており、配列のマイクロ構造を精密に制御可能であることが明らかになった。