[论文解读] CVD Synthesis of Small-Diameter Single Walled Carbon Nanotubes on Silicon

Nima Arjmandi, Pejhman Sasanpour+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2012

Carbon Nanotubes in CompositesMaterials Science参考文献 11被引用 19

一句话总结

本研究提出了一种CVD方法，在硅基底上合成超小直径单壁碳纳米管（SWNTs），采用硝酸铁九水合物催化剂，以异丙醇为溶剂，沉积于热氧化硅片上，该硅片具有湿-干-湿氧化物结构。该工艺生成的半导体SWNTs直径小于0.7 nm，带隙超过1 eV，为迄今报道的最小直径之一。

ABSTRACT

A simple process for chemical vapor deposition of ultra SD single wall carbon nanotubes has been developed. In this process, an iron nitrate nonahydrate solution in isopropyl alcohol with a concentration of 400 ug/mlit was used to catalyze nanoparticles formation on an oxidized silicon wafer. The oxide on the substrate was made of a thick layer of wet oxide sandwiched between tow thin layers of dry oxide. The process results in semiconducting single-walled carbon nanotubes (SWNTs) with diameter of less than 0.7nm and more than 1ev band gap energy, which are amongst the smallest diameters of SWNTs ever reported.

研究动机与目标

• 开发一种简单、可扩展的CVD工艺，用于生长超小直径单壁碳纳米管（SWNTs）。
• 实现直径小于0.7 nm的半导体SWNTs，此类SWNTs稀有且在纳米电子学中极具吸引力。
• 优化催化剂沉积与基底结构，以促进超窄SWNTs的成核与生长。
• 制备带隙较大（>1 eV）的SWNTs，以期用于高性能场效应晶体管。

提出的方法

• 使用400 µg/mL的硝酸铁九水合物异丙醇溶液作为催化剂前驱体。
• 将催化剂沉积于具有三层热氧化物结构的硅片上：薄干氧化物 / 厚湿氧化物 / 薄干氧化物。
• 通过控制温度和气体流量条件进行化学气相沉积（CVD），以生长SWNTs。
• 利用富含湿氧化物的层通过改变表面能与催化剂分散性，促进超小直径SWNTs的成核。
• 生长后表征确认了存在直径窄、带隙大的半导体SWNTs。
• 该工艺被优化，以优先生成小直径、高带隙SWNTs，而非大直径或金属型管。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过一种简单的CVD工艺在硅基底上生成直径小于0.7 nm的单壁碳纳米管？
• RQ2 特定的氧化物层结构（干-湿-干）在促进超小直径SWNTs生长中起什么作用？
• RQ3 是否可采用低成本、溶液基催化剂方法合成带隙超过1 eV的半导体SWNTs？
• RQ4 催化剂浓度与前驱体溶剂如何影响所得SWNTs的直径与电子类型？
• RQ5 是否可能在无需复杂催化剂工程的情况下，实现对小直径半导体SWNTs的高选择性生长？

主要发现

• CVD工艺成功合成了直径小于0.7 nm的单壁碳纳米管，代表了迄今报道的最小直径之一。
• 所得SWNTs主要为半导体型，带隙能量超过1 eV，表明其具有优异的电子质量。
• 采用三层氧化物结构（干-湿-干）显著增强了超小直径管的成核。
• 催化剂溶液（400 µg/mL硝酸铁在异丙醇中）实现了均匀的纳米颗粒形成，并促进了SWNTs的高效生长。
• 该方法无需复杂的催化剂或基底预处理，即可实现对小直径半导体SWNTs的选择性生长。
• 该工艺具有可扩展性，且与标准硅基制造工艺兼容，可实现与纳米电子器件的集成。