[论文解读] 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 6

一句话总结

本研究通过交流电介质电泳（ac-dielectrophoresis）实现了纯度达99%的半导体单壁碳纳米管（s-SWNTs）的组装，形成线性密度可调的有序阵列，最高密度达到25根/μm，创下该类阵列的纪录。所制备器件表现出更高的迁移率和电流密度，方阻为30 kΩ/□，为迄今报道的半导体纳米管阵列中性能最佳。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，将高纯度半导体碳纳米管组装成具有可控密度的有序阵列。
• 研究这些阵列在直接输运行为中的电输运特性。
• 通过调节纳米管密度和对准质量来优化器件性能。
• 实现迄今报道的半导体碳纳米管阵列中最高性能指标，包括迁移率、开关比和电流密度。

提出的方法

• 采用交流电介质电泳（DEP）技术，将纯度达99%的溶液处理型半导体富集单壁碳纳米管（s-SWNTs）进行对准组装。
• 通过调节施加交流电压的频率，控制纳米管的对准质量。
• 通过调节s-SWNT溶液浓度和DEP频率，将线性密度从1根/μm调节至25根/μm。
• 在室温下进行电子输运测量，评估迁移率、电流开关比、电流密度和方阻。
• 采用标准制备工艺在SiO2/Si衬底上制备底栅型场效应晶体管（FET）器件。
• 通过改变纳米管密度，表征器件性能，建立结构控制与电学输出之间的关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 施加交流电压的频率如何影响电介质电泳组装中半导体碳纳米管的对准质量？
• RQ2 通过调节溶液浓度和DEP频率，有序s-SWNT阵列的线性密度可调节至何种程度？
• RQ3 在有序阵列中，随着纳米管密度增加，器件迁移率和开关比如何变化？
• RQ4 有序s-SWNT阵列中可实现的最大电流密度和方阻是多少？与以往研究相比表现如何？
• RQ5 能否通过电介质电泳组装的器件有效探测有序s-SWNT阵列中的直接输运行为？

主要发现

• 实现了25根s-SWNTs/μm的最高线性密度，为迄今报道的任何有序半导体碳纳米管阵列中的最高值。
• 器件迁移率随纳米管密度增加而提高，表明更密集的阵列中载流子输运性能更优。
• 高密度下电流开关比显著降低，表明存在更强的管间耦合或缺陷相关的漏电。
• 最密集的阵列实现了16 μA/μm的电流密度，为迄今报道的任何半导体纳米管阵列中的最高值。
• 导通电导达到390 μS，方阻为30 kΩ/□，均为迄今此类阵列报道的最佳数值。
• 对准质量显著依赖于施加交流电压的频率，实现了对阵列形貌的精细调控。