[논문 리뷰] Semiconducting enriched carbon nanotube align arrays of tunable density and their electrical transport properties

Biddut K. Sarker, Shashank Shekhar외 1명|arXiv (Cornell University)|2011. 05. 04.

Carbon Nanotubes in Composites참고 문헌 38인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 99%의 순도를 가진 반도체 단일벽 탄소 나노튜브(s-SWNTs)를 ac-디에일렉트로포레시스 기반으로 정렬된 배열로 조립하여 선형 밀도를 조절 가능하게 하였으며, 최대 25개/μm의 기록적인 밀도를 달성하였다. 제작된 장치는 향상된 이동도와 전류 밀도를 보이며, 시트 저항이 30 kΩ/□로 나타나, 현재까지 보고된 바 있는 반도체 나노튜브 배열 중에서 가장 높은 성능을 기록하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고순도 반도체 탄소 나노튜브를 정렬된 배열로 조립할 수 있는 스케일러블한 방법을 개발하기 위해.
• 이 배열에서 직접 전송 영역에서의 전기적 운반성질을 조사하기 위해.
• 나노튜브 밀도와 정렬 품질을 조절하여 장치 성능을 최적화하기 위해.
• 이동도, on-off 비율, 전류 밀도를 포함한, 반도체 탄소 나노튜브 배열에서 보고된 바 있는 최고의 성능 지표를 달성하기 위해.

제안 방법

• 99%의 순도를 가진 용액 처리 가능한 반도체 풍부화 단일벽 탄소 나노튜브(s-SWNTs)를 ac-디에일렉트로포레시스(DEP)를 이용해 정렬하였다.
• 나노튜브의 정렬 품질을 제어하기 위해 적용된 교류 전압의 주파수를 변화시켰다.
• s-SWNT 용액의 농도와 DEP 주파수를 조절하여 선형 밀도를 1에서 25개/μm로 조절하였다.
• 이동도, 전류 on-off 비율, 전류 밀도, 시트 저항을 평가하기 위해 실온에서 전자 운반 측정을 수행하였다.
• SiO2/Si 기판 위에 밑면 게이트형 필드효과 트랜지스터(FET) 장치를 표준 공정으로 제작하였다.
• 나노튜브 밀도를 다양하게 조절하여 장치 성능을 분석하고, 구조적 제어와 전기적 출력 간의 상관관계를 규명하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적용된 교류 전압의 주파수가 DEP 조립 중 반도체 탄소 나노튜브의 정렬 품질에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 용액 농도와 DEP 주파수를 통해 정렬된 s-SWNT의 선형 밀도는 어느 정도까지 조절 가능한가?
• RQ3 정렬된 배열에서 나노튜브 밀도가 증가함에 따라 장치의 이동도와 on-off 비율은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 정렬된 s-SWNT 배열에서 도달 가능한 최대 전류 밀도와 시트 저항은 무엇이며, 이는 이전 연구와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 DEP를 이용해 조립한 장치를 통해 정렬된 s-SWNT 배열에서 직접 전송 영역을 효과적으로 탐색할 수 있는가?

주요 결과

• 25개의 s-SWNTs/μm의 최대 선형 밀도를 달성하였으며, 이는 현재까지 보고된 바 있는 정렬된 반도체 나노튜브 배열 중에서 가장 높은 값이다.
• 나노튜브 밀도가 증가함에 따라 장치 이동도가 증가하여, 더 높은 밀도의 배열에서 운반성능이 향상됨을 나타낸다.
• 밀도가 높아질수록 전류 on-off 비율이 크게 감소하여, 상호 나노튜브 결합 또는 결함 기반 누설이 증가함을 시사한다.
• 가장 높은 밀도의 배열에서 전류 밀도가 16 μA/μm에 도달하였으며, 이는 현재까지 보고된 바 있는 반도체 나노튜브 배열 중에서 가장 높은 수치이다.
• on-전도도는 390 μS에 도달하였고, 시트 저항은 30 kΩ/□로, 이는 현재까지 보고된 바 있는 이러한 배열에서 가장 뛰어난 값이다.
• 정렬 품질은 적용된 교류 전압의 주파수에 따라 크게 영향을 받으며, 이는 배열 형태를 정밀하게 제어할 수 있음을 의미한다.