第27卷第5期 无机材料学报 Vol 27 No 5 2012年5月 Journal of Inorganic Materials May 文章编号:1000-324X(2012)05-0449-09 DOI:10.3724/SPJ.1077.2012.00449 碳纳米管/金属接触改善方法的研究进展 陈长鑫,金铁凝,张亚非 (上海交通大学微米/纳米科学技术研究院,薄膜和微细技术教育部重点实验室,微米纳米加工技术囯家级重点实 验室,上海200240) 摘要:碳纳米管(CNT)由于其独特结构和优异特性已被广泛用来构筑各种纳米器件.而CNT与电极间的接触在 CNT器件中扮演着重要的作用,是器件性能的关键影响因素.采用何种有效的方法来改善CNT与金属电极间的接 触一直是CNT器件研究中的一个重要方面.本文综述了近年来CNT/金属接触改善方法的研究进展,结合本课题组 的研究对目前有代表性的接触改善方法进行介绍.阐述了各种改善方法的原理和加工工艺,讨论了采用这些方法 获得的接触特性和器件性能,并对各方法的特点进行了比较 关键词:碳纳米管(CNT,碳纳米管/金属接触;接触电阻;碳纳米管场效应晶体管( CNTFET,综述 中图分类号:TN305文献标识码:A Progress in Improvement Methods of Carbon NanotubeMetal Contact CHEN Chang-Xin, JIN Tie-Ning, ZHANG Ya-Fei ( Key Laboratory for Thin Film and Micro-fabrication of Ministry of Education, National Key Laboratory of Nano/Micro Fabrication Technology, Research Institute of Micro/Nano Science and Thecnology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghan 200240, China) Abstract: Owing to its unique structure and excellent properties, carbon nanotube(CnT) has been widely used to construct various nanodevices. The contact between CNTs and metal electrodes plays a key role in CNT-based devices and directly influences device performance. Therefore, the improvement of the CNT/electrode contact is an important aspect in the study of CNT devices. In this paper, recent research progress on the improvement methods of the CNT/metal contact is reviewed. Typical contact optimization methods and their principles and processes are introduced. The resulting contact characteristics and device performances by applying these improvement methods are also discussed. On this basis, the features of these different improvement methods are compared Key words: carbon nanotube(CNT); carbon nanotube/metal contact; contact resistance, carbon nanotube field-effect transistor(CNTFET); review 碳纳米管(CNT)具有独特的一维纳米结构和优性在CNT器件中扮演着重要作用,是CNT器件性 良的物理、化学、机械等特性,被广泛应用于制作能的关键影响因素之一.在CNT器件中,CNT与金 各种电子器件[]而CNT与金属电极间的接触特属电极之间的接触方式主要有两种:一种是直接将 收稿日期:2011-09-12,收到修改稿日期:2011-11-29 基金项目:上海市青年科技启明星计划(10QA1403500)全国优秀博士学位论文作者专项基金(201154),高等学校博士学 科点专项科研基金(200802481028),韩国三星( Samsung)技术院全球研究拓展(GRO)计划项目;“晨星学者奖励计 划”SMC优秀青年教师项目(SMC2009GB16) Shanghai Rising-Star Program(10QA1403500); A Foundation for the Author of National Excellent Doctoral Dissertation of China(FANEDD)(201154): Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (SRFDP)(200802481028): Samsung Global Research Outreach("GRO") Program; SMC Excellent Young Faculty Project of"Chen Xing Scholar"Prize Program(SMC2009GB16) 作者简介:陈长鑫(1978-),男,博士,副研究员.E-mail:chencx@sjtu.edu.cn
第 27 卷 第 5 期 无 机 材 料 学 报 Vol. 27 No. 5 2012 年 5 月 Journal of Inorganic Materials May, 2012 收稿日期: 2011-09-12; 收到修改稿日期: 2011-11-29 基金项目: 上海市青年科技启明星计划(10QA1403500); 全国优秀博士学位论文作者专项基金 (201154); 高等学校博士学 科点专项科研基金(200802481028); 韩国三星(Samsung)技术院全球研究拓展(GRO)计划项目; “晨星学者奖励计 划”SMC 优秀青年教师项目(SMC2009GB16) Shanghai Rising-Star Program (10QA1403500); A Foundation for the Author of National Excellent Doctoral Dissertation of China (FANEDD) (201154); Specialized Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education (SRFDP) (200802481028); Samsung Global Research Outreach (“GRO”) Program; SMC Excellent Young Faculty Project of “ChenXing Scholar” Prize Program (SMC2009GB16) 作者简介: 陈长鑫(1978−), 男, 博士, 副研究员. E-mail: chen.c.x@sjtu.edu.cn 文章编号: 1000-324X(2012)05-0449-09 DOI: 10.3724/SP.J.1077.2012.00449 碳纳米管/金属接触改善方法的研究进展 陈长鑫, 金铁凝, 张亚非 (上海交通大学 微米/纳米科学技术研究院, 薄膜和微细技术教育部重点实验室, 微米纳米加工技术国家级重点实 验室, 上海 200240) 摘 要: 碳纳米管(CNT)由于其独特结构和优异特性已被广泛用来构筑各种纳米器件. 而 CNT 与电极间的接触在 CNT 器件中扮演着重要的作用, 是器件性能的关键影响因素. 采用何种有效的方法来改善 CNT 与金属电极间的接 触一直是 CNT 器件研究中的一个重要方面. 本文综述了近年来 CNT/金属接触改善方法的研究进展, 结合本课题组 的研究对目前有代表性的接触改善方法进行介绍. 阐述了各种改善方法的原理和加工工艺, 讨论了采用这些方法 获得的接触特性和器件性能, 并对各方法的特点进行了比较. 关 键 词: 碳纳米管(CNT); 碳纳米管/金属接触; 接触电阻; 碳纳米管场效应晶体管(CNTFET); 综述 中图分类号: TN305 文献标识码: A Progress in Improvement Methods of Carbon Nanotube/Metal Contact CHEN Chang-Xin, JIN Tie-Ning, ZHANG Ya-Fei (Key Laboratory for Thin Film and Micro-fabrication of Ministry of Education, National Key Laboratory of Nano/Micro Fabrication Technology, Research Institute of Micro/Nano Science and Thecnology, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China) Abstract: Owing to its unique structure and excellent properties, carbon nanotube (CNT) has been widely used to construct various nanodevices. The contact between CNTs and metal electrodes plays a key role in CNT-based devices and directly influences device performance. Therefore, the improvement of the CNT/electrode contact is an important aspect in the study of CNT devices. In this paper, recent research progress on the improvement methods of the CNT/metal contact is reviewed. Typical contact optimization methods and their principles and processes are introduced. The resulting contact characteristics and device performances by applying these improvement methods are also discussed. On this basis, the features of these different improvement methods are compared. Key words: carbon nanotube (CNT); carbon nanotube/metal contact; contact resistance; carbon nanotube field-effect transistor (CNTFET); review 碳纳米管(CNT)具有独特的一维纳米结构和优 良的物理、化学、机械等特性, 被广泛应用于制作 各种电子器件[1]. 而 CNT 与金属电极间的接触特 性在 CNT 器件中扮演着重要作用, 是 CNT 器件性 能的关键影响因素之一. 在 CNT 器件中, CNT 与金 属电极之间的接触方式主要有两种: 一种是直接将
450 无机材料学报 第27卷 CNT沉积于金属电极上,依靠它们间的范德华力使 SWCNT制备的 CNTFET的性能也因接触的改善 CNT吸附在金属电极表面;另一种则是先将CNT而得到有效地提升.如图3所示,Co接触的 SWCNT 沉积在衬底上,然后在CNT上进行金属图形化制沟道长1030nm的 CNTFET具有高微安级的开态电 作出压在CNT上的电极.未经优化前,CNT与金属流,跨导值达0.342μS(比将 SWCNT放置在金属电 电极接触可能存在许多问题,例如接触电阻大,第极上未退火处理的相同器件提高了200倍),电流开 ˉ种方式接触电阻可能超过吉欧姆量级、接触稳定关比达10436Ti接触沟道长800m的 CNTFET的 效的方法对接触进行改善十分必要对于上述两种件的跨导只为10量级,开关比也达105象 性和一致性差、接触的机械强度弱等,因此,采用有跨导提高到028S左右(而未处理形成碳化物 接触方式,均可通过后续处理改善CNT/金属接触 为了减少长时间高温退火法处理的不利影响, 特性,从而提升器件制作的性能第一种接触方式,研究人员也采用了快速退火法处理CNT/金属接触 CNT与金属的接触点暴露在外部,对其可进行的处 理方法相对较多,如电子束轰击、焊接处理等;第 种接触方式,可通过高温退火等对其进行处理 本工作总结了近年来CNI/金属接触的改善方 法,对典型接触改善方法的工艺过程、CNT/金属接 触特性和器件性能等进行总结和介绍. 1高温退火法 高温退火法214是在真空或惰性气氛下对样品 SWCNTS 进行高温退火处理,从而改善CNT/金属电极接触 该方法可使CNT与金属的接触处生成金属碳化物, 或者使原本存在于CNT与金属接触处的气体、水汽 等物理吸附物在高温下脱附,从而改善其接触性能 Zhang等首次采用高温退火法改善T电极与单壁 碳纳米管( SWCNT束的接触.实验在超高真空的环 Before annealing After annealing 境下,对两端搭接在两个T电极上的 SWCNT束进 行970℃热处理20min.处理后,TEM观察显示 0.0 CNT与金属Ti接触处生成了TC晶体,CNT与TiC Bias voltage /V SWCNT束的二端电阻降低到原来的1/5~13图1(b).(b)退火前后 SWCNT束的特性的线RTEM照片 间形成了突变的异质结(图1(a))电学测试表明图1(a)退火后TC与 SWCNT束接触处 Martel等研究了在氦气氛围下高温退火法 SWCNT bundle after annealing0 b)I-v curves of a SwcnT 对碳纳米管场效应晶体管( CNTFET中 SWCNT与 bridging two Ti pads(as illustrated in the inset) before and after 金属Co或T接触特性的改善,通过实时XRD分析 annealing Ti与 SWCNT接触处物质随退火温度变化(图2)可知 当退火温度低于700℃时,接触处的金属仍为Ti; 退火温度在700~800℃之间时,接触处生成T的碳 化物TiC,而退火温度高于800℃时,接触处生成s TC,形成CNT/TC异质结研究表明,对Co和 Ti为源漏电极的 CNTFET分别进行400℃和820℃ 的退火后,Co接触的 CNTFET中单根 SWCNT与 Co的接触电阻可降低至25kΩ左右1s,Ti接触 1000 Temperature/℃ CNTFET的单根 SWCNT沟道的开态电导可提高2 个数量级以上若与金属接触的为 SWCNT束时 图2覆盖于 SWCNT上的T膜的XRD峰随退火温度的变化 he XRD of a titanium film covering 高温退火也可使Ti原子渗入 SWCNT束的内核,与 SWCNTs dispersed on a Sio2/ Si substrate as a function of SWCNT束内部的管形成碳化物而接触到内部的 tempe
450 无 机 材 料 学 报 第 27 卷 CNT 沉积于金属电极上, 依靠它们间的范德华力使 CNT 吸附在金属电极表面; 另一种则是先将 CNT 沉积在衬底上, 然后在 CNT 上进行金属图形化,制 作出压在 CNT 上的电极. 未经优化前, CNT 与金属 电极接触可能存在许多问题, 例如接触电阻大, 第 一种方式接触电阻可能超过吉欧姆量级、接触稳定 性和一致性差、接触的机械强度弱等, 因此, 采用有 效的方法对接触进行改善十分必要. 对于上述两种 接触方式, 均可通过后续处理改善 CNT/金属接触 特性, 从而提升器件制作的性能. 第一种接触方式, CNT 与金属的接触点暴露在外部, 对其可进行的处 理方法相对较多, 如电子束轰击、焊接处理等; 第二 种接触方式, 可通过高温退火等对其进行处理. 本工作总结了近年来 CNT/金属接触的改善方 法, 对典型接触改善方法的工艺过程、CNT/金属接 触特性和器件性能等进行总结和介绍. 1 高温退火法 高温退火法[2-14]是在真空或惰性气氛下对样品 进行高温退火处理, 从而改善 CNT/金属电极接触. 该方法可使 CNT 与金属的接触处生成金属碳化物, 或者使原本存在于 CNT 与金属接触处的气体、水汽 等物理吸附物在高温下脱附, 从而改善其接触性能. Zhang 等[2]首次采用高温退火法改善 Ti 电极与单壁 碳纳米管(SWCNT)束的接触. 实验在超高真空的环 境下, 对两端搭接在两个 Ti 电极上的 SWCNT 束进 行 970℃热处理 20 min. 处理后, TEM 观察显示 CNT 与金属 Ti 接触处生成了 TiC 晶体, CNT 与 TiC 间形成了突变的异质结(图 1(a)); 电学测试表明 SWCNT 束的二端电阻降低到原来的 1/5~1/3(图 1(b)). Martel 等[3-4]研究了在氦气氛围下高温退火法 对碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)中 SWCNT 与 金属 Co 或 Ti 接触特性的改善. 通过实时 XRD 分析 Ti与SWCNT接触处物质随退火温度变化(图2)可知: 当退火温度低于 700℃时, 接触处的金属仍为 Ti; 退火温度在 700~800℃之间时, 接触处生成 Ti 的碳 化物 TixC; 而退火温度高于 800℃时, 接触处生成 TiC, 形成 CNT/TiC 异质结[4]. 研究表明, 对 Co 和 Ti 为源漏电极的 CNTFET 分别进行 400℃和 820℃ 的退火后, Co 接触的 CNTFET 中单根 SWCNT 与 Co 的接触电阻可降低至 25 kΩ 左右[3,5-6], Ti 接触 CNTFET 的单根 SWCNT 沟道的开态电导可提高 2 个数量级以上[4]. 若与金属接触的为 SWCNT 束时, 高温退火也可使 Ti 原子渗入 SWCNT 束的内核, 与 SWCNT 束内部的管形成碳化物而接触到内部的 SWCNT[4]. 制备的CNTFET的性能也因接触的改善 而得到有效地提升. 如图 3 所示, Co 接触的 SWCNT 沟道长 1030 nm 的 CNTFET 具有高微安级的开态电 流, 跨导值达 0.342 μS(比将 SWCNT 放置在金属电 极上未退火处理的相同器件提高了 200 倍), 电流开 关比达 106[3,5-6]. Ti 接触沟道长 800nm 的 CNTFET 的 跨导提高到 0.28 μS 左右(而未处理形成碳化物前器 件的跨导只为 10-9 量级), 开关比也达 106 [5-6]. 为了减少长时间高温退火法处理的不利影响, 研究人员也采用了快速退火法处理 CNT/金属接触. 图 1 (a) 退火后 TiC与 SWCNT束接触处的HRTEM照片[2]; (b)退火前后 SWCNT 束的 I-V 特性曲线[2] Fig. 1 (a) HRTEM image of the contact interface of TiC and SWCNT bundle after annealing[2]; (b) I-V curves of a SWCNT bridging two Ti pads (as illustrated in the inset) before and after annealing[2] 图 2 覆盖于 SWCNT 上的Ti 膜的 XRD 峰随退火温度的变化[4] Fig. 2 Evolution of the XRD of a titanium film covering SWCNTs dispersed on a SiO2/Si substrate as a function of temperature[4]
第5期 陈长鑫,等:碳纳米管/金属接触改善方法的研究进展 -30}V= 25}-1.2V oxide(Tm)150 s-20}-10V∴ 1s08v.∴∵ 0.4V…∴∵…∵ Gate voltage, V/V 图4三个样品CMT二端电阻随热处理温度的关系图 Fig. 4 Contact resistance as a function of the rapid thermal annealing(RTA)temperature for three different nanotul 几 0.0E, Gate vo 图3(a)Co电极 CNTFET的Fs曲线(图中右侧曲线为 lsgs的对数关系曲线)(bIi电极 CNTFET的l曲线(图 中右侧为 Igld-vas关系曲线小 Fg3 Vos curves of the co contacted cntfet(l) and the ti图5电脉冲处理过程示意图吗3 contacted CNTFET (b); The right curves in the figures are the Fig. 5 A schematic diagram of the apparatus for the local logarithmic plot of Ir-ves characteristics s CNT/electrode contact treatment using an electrical pulse shot!I51 Lee等对被压在Ti为打底层的金电极下的CNT样端的钯电极施加脉冲电压,使两路脉冲信号分别经 品进行不同温度的真空热处理,发现600650℃的过两个电极(如图5)从而实现对 SWCNT两端与电 真空热处理能使CNT与电极的接触电阻达到最小极接触处的电脉冲加热处理.多组金属性和半导体 (图4),与未处理前(≥10MQ)相比阻值减小3个数性 SWCNT的对照实验表明,电脉冲法对金属性和 量级以上.经处理后的器件在常温下放置3个月后,半导体性 SWCNT都适合,均可明显降低接触电阻 接触电阻仍能保持在10~50k2,表明处理后的接触(图6).其中,金属性 SWCNT的二端电阻可减小到 具有良好的长期稳定性 几百k,半导体性 SWCNT束的二端电阻由处理前 的3.35Mg减小到处理后的176.5kg 2局部焦耳热法 也有研究直接在CNT两端加直流电压产生局部 焦耳热来处理CNT/金属接触实验将一根一端固 局部焦耳热法12与高温退火法相似,都是对定在金电极上的多壁碳纳米管( MWCNT缓慢移向另 CNT与金属接触部位进行加热处理,但局部焦耳热一个金电极,当 MWCNT的自由端与另一个金电极表 法不像高温退火法那样需要对样品进行大面积的高面接触时加在两端电极的直流电压使回路中产生电 温加热,它只在CNT与金属接触处产生局部的焦耳流.由于接触处电阻大,在接触处将产生较大的局 热,对特定部位进行热处理,同时不影响器件的其部焦耳热,最终使 MWCNT与金电极形成良好接触 它部分 (见图7(a).研究表明,当 MWCNT的末端刚接触上 Woo等1S采用一种施加脉冲电压的方法来降金表面时,由于CNT与电极接触电阻较大,测得的回 低 SWCNT与金属电极之间的接触电阻,该方法可路电流较小;而电加热了一段时间后 MWCNT的末端 在短时间内加热CNT与金属的接触处,对基底影响发生了形变并被固定在金表面上,它们之间的接触电 很小.实验是在氦气的氛围下,对单根 SWCNT两阻减小了,测得的回路电流增大(图7(b)
第 5 期 陈长鑫, 等: 碳纳米管/金属接触改善方法的研究进展 451 图 3 (a)Co 电极 CNTFET 的 Id-Vgs 曲线(图中右侧曲线为 Id-Vgs 的对数关系曲线); (b)Ti 电极 CNTFET 的 Id-Vgs 曲线(图 中右侧为 lgId-Vgs 关系曲线) [3] Fig. 3 Id-Vgs curves of the Co contacted CNTFET (a) and the Ti contacted CNTFET (b); The right curves in the figures are the logarithmic plot of Id-Vgs characteristics[3] Lee 等对被压在 Ti 为打底层的金电极下的 CNT 样 品进行不同温度的真空热处理, 发现 600~650℃的 真空热处理能使 CNT 与电极的接触电阻达到最小 (图 4), 与未处理前(≥10 MΩ)相比阻值减小 3 个数 量级以上. 经处理后的器件在常温下放置 3 个月后, 接触电阻仍能保持在 10~50 kΩ, 表明处理后的接触 具有良好的长期稳定性. 2 局部焦耳热法 局部焦耳热法[15-25]与高温退火法相似, 都是对 CNT 与金属接触部位进行加热处理, 但局部焦耳热 法不像高温退火法那样需要对样品进行大面积的高 温加热, 它只在 CNT与金属接触处产生局部的焦耳 热, 对特定部位进行热处理, 同时不影响器件的其 它部分. Woo 等[15]采用一种施加脉冲电压的方法来降 低 SWCNT 与金属电极之间的接触电阻, 该方法可 在短时间内加热 CNT与金属的接触处, 对基底影响 很小. 实验是在氦气的氛围下, 对单根 SWCNT 两 图 4 三个样品 CNT 二端电阻随热处理温度的关系图[7] Fig. 4 Contact resistance as a function of the rapid thermal annealing (RTA) temperature for three different nanotube–Ti–Au electrodes[7] 图 5 电脉冲处理过程示意图[15] Fig. 5 A schematic diagram of the apparatus for the local CNT/electrode contact treatment using an electrical pulse shot[15] 端的钯电极施加脉冲电压, 使两路脉冲信号分别经 过两个电极(如图 5),从而实现对 SWCNT 两端与电 极接触处的电脉冲加热处理. 多组金属性和半导体 性 SWCNT 的对照实验表明, 电脉冲法对金属性和 半导体性 SWCNT 都适合, 均可明显降低接触电阻 (图 6). 其中, 金属性 SWCNT 的二端电阻可减小到 几百 kΩ,半导体性 SWCNT 束的二端电阻由处理前 的 3.35 MΩ 减小到处理后的 176.5 kΩ. 也有研究直接在 CNT 两端加直流电压产生局部 焦耳热来处理 CNT/金属接触[16]. 实验将一根一端固 定在金电极上的多壁碳纳米管(MWCNT)缓慢移向另 一个金电极, 当MWCNT的自由端与另一个金电极表 面接触时加在两端电极的直流电压使回路中产生电 流. 由于接触处电阻大, 在接触处将产生较大的局 部焦耳热, 最终使 MWCNT 与金电极形成良好接触 (见图 7(a)). 研究表明, 当 MWCNT 的末端刚接触上 金表面时, 由于 CNT 与电极接触电阻较大, 测得的回 路电流较小; 而电加热了一段时间后MWCNT的末端 发生了形变并被固定在金表面上, 它们之间的接触电 阻减小了, 测得的回路电流增大(图 7(b))
452 无机材料学报 第27卷 Metallic SWCNT Carbon nanotube a Pristine sample IOM 勿 After pulse annealing Gold surface Gold plate Semiconducting SWCNT -1.00.500.51.0 c Bias voltage/V 图7(a)CNT末端移向金电极表面过程示意图1,(b)空心 和实心点线分别为 MWCNT与金电极刚接触上和加电压 段时间嵌入金电极表面后的LV曲线 10M Fig. 7(a) Illustration of the procedure for connecting carbon nanotube to a gold surfacell6l,(b)Current-voltage curves for two different contact states: open circles are data obtained when the MWCNt tip is just in contact with the gold surface and filled circles are for when the tip is embedded in the gold surface!I6 图6金属性(a)和半导体性(b) SWCNT退火前(空白区)与退 火后(阴影区)的二端电阻1 8(b):当CNT的一端与金属电极之间的接触得到 Fig.6 Statistics of the changes in the2 erminal resistance改善时电流从0增加到60nA,而当CNT的另一端 before(blank)and after(shadow) pulse annealing for the cases of an individual (a) metallic SwCNt and (b) semiconducting 与金属电极之间的接触也得到了改善后电流激增到 SwCNTIISI 300nA.这表明电子束轰击足够久之后,CNT的两 端都沉积了足够多有机化合物分解产生的金单质 3电子束沉积法 从而使CNT与金属之间的接触电阻大大减小 类似地,Neha等利用电子束辐射分解Ti金属 电子束沉积法主要是利用电子束辐照分解金属有机化合物,使其在接触处沉积T从而改善 有机化合物,使其生成金属单质并沉积在CNT与金 MWCNT与电极的接触特性(图%a))处理后,CNT的 属电极的接触位置,从而增加接触的牢固性并减少电导可显著改善,在4V到4V的电压范围内 接触电阻,形成良好且稳定的接触.该方法也可避 MWCNT的二端电导从336s086e2/h)提高到 免高温退火法中高温对于CNT的损伤,但该方法由657pS(68c7h),在4V电压下 MWCNT的电流密度 于需要在电子扫描仪腔体中操作故受条件限制且效从处理前的14×100Am2提高到29×100Am(图9b) 率较低 Madsen等凹利用电子束辐射分解Au的有机化4电子束辐照法 合物来沉积Au首先将一根 MWCNT沉积在金的 对电极之间,将样品置于充满金有机化合物蒸汽 研究证明,直接对CNT与金属的接触位置进行 的扫描电子显微镜(SEM腔体中,然后利用SEM电子束辐照,也可以有效地改善它们的接触特性 的电子束对 MWCNT在电极上的两端部进行辐照该方法通过电子束轰击接触处的CNT,使CNT产生 处理(如图8(a)所示),使辐照区上方的有机物分解,缺陷,这样可大大增加接触处的电子散射,从而打 并在CNT两端接触处沉积上Au.实验结果表明,当样破理想状态下CNT和金属间无法进行波矢守恒传 品经电子束照射处理时,电流出现两次增大(如图输的限制,使它们间的传导变容易28.另外,电子
452 无 机 材 料 学 报 第 27 卷 图 6 金属性(a)和半导体性(b)SWCNT 退火前(空白区)与退 火后(阴影区)的二端电阻[15] Fig. 6 Statistics of the changes in the 2-terminal resistance before (blank) and after (shadow) pulse annealing for the cases of an individual (a) metallic SWCNT and (b) semiconducting SWCNT[15] 3 电子束沉积法 电子束沉积法主要是利用电子束辐照分解金属 有机化合物, 使其生成金属单质并沉积在 CNT与金 属电极的接触位置, 从而增加接触的牢固性并减少 接触电阻, 形成良好且稳定的接触. 该方法也可避 免高温退火法中高温对于 CNT的损伤, 但该方法由 于需要在电子扫描仪腔体中操作故受条件限制且效 率较低. Madsen 等[26]利用电子束辐射分解 Au 的有机化 合物来沉积 Au. 首先将一根 MWCNT 沉积在金的 对电极之间, 将样品置于充满金有机化合物蒸汽 的扫描电子显微镜(SEM)腔体中, 然后利用 SEM 的电子束对 MWCNT 在电极上的两端部进行辐照 处理(如图 8(a)所示), 使辐照区上方的有机物分解, 并在 CNT 两端接触处沉积上 Au. 实验结果表明, 当样 品经电子束照射处理时, 电流出现两次增大(如图 图 7 (a) CNT 末端移向金电极表面过程示意图[16]; (b) 空心 和实心点线分别为 MWCNT 与金电极刚接触上和加电压一 段时间嵌入金电极表面后的 I-V 曲线[16] Fig. 7 (a) Illustration of the procedure for connecting a carbon nanotube to a gold surface[16]; (b) Current-voltage curves for two different contact states: open circles are data obtained when the MWCNT tip is just in contact with the gold surface and filled circles are for when the tip is embedded in the gold surface[16] 8(b)): 当 CNT 的一端与金属电极之间的接触得到 改善时电流从 0 增加到 60 nA, 而当 CNT 的另一端 与金属电极之间的接触也得到了改善后电流激增到 300 nA. 这表明电子束轰击足够久之后, CNT 的两 端都沉积了足够多有机化合物分解产生的金单质, 从而使 CNT 与金属之间的接触电阻大大减小. 类似地, Neha 等[27]利用电子束辐射分解 Ti 金属 有机化合物, 使其在接触处沉积 Ti 从而改善 MWCNT 与电极的接触特性(图 9(a)). 处理后, CNT 的 电导可显著改善, 在−4 V 到 4 V 的电压范围内 MWCNT 的二端电导从 33.6 μS (0.86 e2 /h)提高到 65.7 μS (1.68 e2 /h); 在4V电压下, MWCNT的电流密度 从处理前的1.4×1010 A/m2 提高到2.9×1010 A/m2 (图9(b)). 4 电子束辐照法 研究证明, 直接对 CNT 与金属的接触位置进行 电子束辐照, 也可以有效地改善它们的接触特性. 该方法通过电子束轰击接触处的CNT, 使CNT产生 缺陷, 这样可大大增加接触处的电子散射, 从而打 破理想状态下 CNT 和金属间无法进行波矢守恒传 输的限制, 使它们间的传导变容易[28]. 另外, 电子
第5期 陈长鑫,等:碳纳米管/金属接触改善方法的研究进展 (al After top contact 80 200 U 50 图9(a)电子束沉积法处理后CNT与金电极接触处的 Time/s SEM照片;(b)电子束沉积法处理前(黑)和处理后(灰)CNT 图8(a)电子束沉积处理过程示意图;(b)流经CNT的电流的L与GV特性 随电子束沉积时间变化的曲线图2 Fig9(a) The SEM image of the contacts of CNT and gold Fig 8(a) Schematic diagram of the process of electron beam pads after top metal deposition;(b) The I-V and G-Vcurves deposition;(b) Current vs deposition time during soldering before(black)and after(gray)the electron beam deposition 271 the mWCnT using the electron beam 261 Straight line: 1-V characteristics; V-shape curve: G-V characteristics 束辐照也可改善CNT与金属电极的界面接触,降低CNT两端加上偏压引导辐照电子的流向研究辐照 接触电阻.相比于电子束沉积法,该方法更为简便 及所加偏压极性对接触的影响如图11所示.电学测 但也存在电子束可能对CNT造成损伤以及处理效量表明,在电子束辐照前CNT的二端电阻很大 率低下的问题 (≥10G0),而经过电子束辐照后接触电阻可以减 Bachtold等研究了电子束辐照对 MWCNT与小到250k9以下,接触性得到明显改善 金电极接触的改善作用.实验将 MWCNT沉积在如 但是长时间电子束辐照会导致CNT材料结构 图10a)所示的金电极上,并利用SEM的电子束对的破坏,研究人员正寻找合适的方法回避该方法的 MWCNT与金电极的接触处进行辐照,辐照时SEM不利影响.先前研究也表明,通过将样品加热到 的电压为20kV,使照射位置受到电子的总剂量大450-700℃,同时对CNT进行电子束辐照可对辐照 于07C/m2.结果表明,CNT两端与金属电极接触在CNT上产生的结构缺陷有退火的作用,避免这些 的部位经过足够久电子束照射之后,CNT的二端电结构缺陷的聚集,从而在获得良好接触的同时不 阻可从100Mg2降至30kg,且电阻值与照射的剂量影响CNT自身的特性 在一定范围内近似成反比关系(图10b)所示) 电子束辐照法并不限于特定金属与CNT的接触5超声纳米焊接法 处理.利用电子束辐照也可实现对CNT与铂金属接 触的改善将装有CNT的筒中伸出的一根CNT 近年来,本课题组在CNT与金属接触研究方面 与镀在硅悬臂梁上的铂金属膜相接触,通过SEM也取得了重要进展,采用一种新颖的超声纳米焊接 的电子束(电压15kV)对接触部位进行辐照,同时在技术改善CNT与金属间的接触3该技术利用很
第 5 期 陈长鑫, 等: 碳纳米管/金属接触改善方法的研究进展 453 图 8 (a)电子束沉积处理过程示意图; (b)流经 CNT 的电流 随电子束沉积时间变化的曲线图[26] Fig. 8 (a) Schematic diagram of the process of electron beam deposition; (b) Current vs deposition time during soldering of the MWCNT using the electron beam[26] 束辐照也可改善 CNT与金属电极的界面接触, 降低 接触电阻. 相比于电子束沉积法, 该方法更为简便, 但也存在电子束可能对 CNT 造成损伤以及处理效 率低下的问题. Bachtold 等[29]研究了电子束辐照对 MWCNT 与 金电极接触的改善作用. 实验将 MWCNT 沉积在如 图 10(a)所示的金电极上, 并利用 SEM 的电子束对 MWCNT 与金电极的接触处进行辐照, 辐照时 SEM 的电压为 20 kV, 使照射位置受到电子的总剂量大 于 0.7 C/cm2 . 结果表明, CNT 两端与金属电极接触 的部位经过足够久电子束照射之后, CNT 的二端电 阻可从100 MΩ降至30 kΩ, 且电阻值与照射的剂量 在一定范围内近似成反比关系(图 10(b)所示). 电子束辐照法并不限于特定金属与 CNT 的接触 处理. 利用电子束辐照也可实现对 CNT与铂金属接 触的改善[30]. 将装有 CNT 的筒中伸出的一根 CNT 与镀在硅悬臂梁上的铂金属膜相接触, 通过 SEM 的电子束(电压 15 kV)对接触部位进行辐照, 同时在 图 9 (a) 电子束沉积法处理后 CNT 与金电极接触处的 SEM 照片; (b) 电子束沉积法处理前(黑)和处理后(灰)CNT 的 I-V 与 G-V 特性[27] Fig. 9 (a) The SEM image of the contacts of CNT and gold pads after top metal deposition; (b) The I-V and G-V curves before (black) and after (gray) the electron beam deposition[27] Straight line: I-V characteristics; V-shape curve: G-V characteristics CNT 两端加上偏压引导辐照电子的流向,研究辐照 及所加偏压极性对接触的影响如图 11 所示. 电学测 量表明, 在电子束辐照前 CNT 的二端电阻很大 (≥10 GΩ), 而经过电子束辐照后接触电阻可以减 小到 250 kΩ 以下, 接触性得到明显改善. 但是长时间电子束辐照会导致 CNT 材料结构 的破坏, 研究人员正寻找合适的方法回避该方法的 不利影响. 先前研究也表明, 通过将样品加热到 450~700℃, 同时对 CNT 进行电子束辐照可对辐照 在 CNT上产生的结构缺陷有退火的作用, 避免这些 结构缺陷的聚集[31], 从而在获得良好接触的同时不 影响 CNT 自身的特性. 5 超声纳米焊接法 近年来, 本课题组在 CNT 与金属接触研究方面 也取得了重要进展, 采用一种新颖的超声纳米焊接 技术改善CNT与金属间的接触[32-33]. 该技术利用很
454 无机材料学报 第27卷 (a)100 nm wide Au finger 12所示.使用这种技术实现了单根或多根CNT与 钛、钯、金、铝等多种金属电极材料的牢固焊接,发 2 现焊接可使 SWCNT/电极接触电阻降低3到4个数 量级321 实验中,研究了金属性和半导体性 SWCNT与 金属电极的超声纳米焊接特性.表明,在一定的超 声功率范围内,随着超声功率增大,金属性 SWCNT 6 二端电阻明显减小,在合适的超声功率值下电阻值 达到最低,对于一根1pm长的金属性 SWCNT二端 1000 电阻可降低到15kQ左右(如图13(a)}32,而半导体 性 SWCNT与电极焊接形成的接触在开态下具有小 105 的有效肖特基势垒高度和宽度3使用AFM探针 拨动焊接后的 SWCNT,发现即使 SWCNT被拨断而 SWCNT与金属接触处仍不被破坏,显示了形成的 焊接具有良好的机械强度.经超声焊接处理制作的 CNTFET也具有良好的器件性能3图13(b)为单 根 SWCNT制得的 CNTFET的输出和转移特性曲线{32 从图中可知,器件的开态电导大,GoN=025·4e2h(开 Dose/(Ccm) 态电阻RON=264kO),跨导值高, 8m I vds=0sy=36pS 图10(a)电子束辐照CNT与金电极接触处的示意图,阴影而未经过超声焊接处理的样品跨导仅为10°S量级 区为电子束辐射区域(b)CNT二端电阻与电子束辐照剂利用该接触改善方法我们也制得了高性能的CNT 量的关系图 光伏器件337 Fig. 10 (a) Schematic of exposing the CNT/Au under electron beam The shadows show the areas of 超声纳米焊接法还可用于其它一维纳米材 of electron exposure dose in SEm> resistance Rzr as a f beam irritation/29), (b)Two-terminal f electron 料,(如SiC、Si、ZnO、Ni纳米线等)与金属电极间 的键合互连,具有快速、可靠、常温操作的优点,而 且焊接面积容易升级,可一次同时对一个较大区域 Knife edge 内的许多器件进行处理 6其它方法 研究发现金属与CNT间的浸润性对它们的接 触性能也有较大影响,浸润性较好的金属更易于与 Electron CNT形成良好的接触例如,钛、铁、铬等这些 irradiation area 金属对CNT的浸润性较好,更易与CNT形成较低 电阻的接触3 图11CNT与硅悬臂梁表面的Pt金属在电子束辐照改善接 在构建CNT电子器件的过程中,研究人员采用 触后的SEM照片 些简易的技巧改善CNT与金属之间的接触{3421 Ig.I SEM Image of the contact between叫mP例如,Song等即在CNT薄膜上蒸发少许的金属铝 (约0.3nm厚),而这些微量的金属铝被吸附在CNT 平的Al2O3晶体作为焊接头,使用一个加在焊接头表面的氧气氧化形成AIO粒子,然后在这种附有 上的超声频率振动的力挤压沉积在金属电极上的少量AO粒子的CNT薄膜上制作金属电极,利用 wCNr两端部,使超声能量通过焊接头传递到这些AO粒子有助于CNT与金属电极间电流隧穿 SWCNT/电极界面,这样在超声能量和压紧力共同的特性来降低接触电阻又如 Nirmalraj等向在进 作用下 SWCNT被焊接或埋入金属电极内,实现牢行局部焦耳热处理的同时,对CNT施加一定压力 固、低电阻的接触.超声纳米焊接工艺示意图如图进一步减小接触电阻.也有采用化学镀的方法在放
454 无 机 材 料 学 报 第 27 卷 图10 (a)电子束辐照CNT与金电极接触处的示意图, 阴影 区为电子束辐射区域[29]; (b) CNT二端电阻与电子束辐照剂 量的关系图[29] Fig. 10 (a) Schematic of exposing the CNT/Au contacts under electron beam. The shadows show the areas of electron beam irritation[29]; (b) Two-terminal resistance R2t as a function of electron exposure dose in SEM[29] 图 11 CNT 与硅悬臂梁表面的 Pt 金属在电子束辐照改善接 触后的 SEM 照片[30] Fig. 11 SEM image of the contact between CNT and metal Pt on Si cantilever surface after electron beam irradiation[30] 平的 Al2O3 晶体作为焊接头, 使用一个加在焊接头 上的超声频率振动的力挤压沉积在金属电极上的 SWCNT 两端部, 使超声能量通过焊接头传递到 SWCNT/电极界面, 这样在超声能量和压紧力共同 作用下 SWCNT 被焊接或埋入金属电极内, 实现牢 固、低电阻的接触. 超声纳米焊接工艺示意图如图 12 所示. 使用这种技术实现了单根或多根 CNT 与 钛、钯、金、铝等多种金属电极材料的牢固焊接, 发 现焊接可使 SWCNT/电极接触电阻降低 3 到 4 个数 量级[32]. 实验中, 研究了金属性和半导体性 SWCNT 与 金属电极的超声纳米焊接特性. 表明, 在一定的超 声功率范围内, 随着超声功率增大, 金属性 SWCNT 二端电阻明显减小, 在合适的超声功率值下电阻值 达到最低, 对于一根 1 μm 长的金属性 SWCNT 二端 电阻可降低到 15 kΩ 左右(如图 13(a))[32]; 而半导体 性 SWCNT 与电极焊接形成的接触在开态下具有小 的有效肖特基势垒高度和宽度[33]. 使用 AFM 探针 拨动焊接后的SWCNT, 发现即使SWCNT被拨断而 SWCNT 与金属接触处仍不被破坏, 显示了形成的 焊接具有良好的机械强度. 经超声焊接处理制作的 CNTFET 也具有良好的器件性能[32-35]. 图 13(b)为单 根SWCNT制得的CNTFET的输出和转移特性曲线[32], 从图中可知, 器件的开态电导大, GON=0.25·4 e2 /h (开 态电阻 RON=26.4 kΩ), 跨导值高, gm│Vds= 0.5 V=3.6 μS; 而未经过超声焊接处理的样品跨导仅为 10-9 S 量级. 利用该接触改善方法我们也制得了高性能的 CNT 光伏器件[36-37]. 超声纳米焊接法还可用于其它一维纳米材 料, (如 SiC、Si、ZnO、Ni 纳米线等)与金属电极间 的键合互连, 具有快速、可靠、常温操作的优点, 而 且焊接面积容易升级, 可一次同时对一个较大区域 内的许多器件进行处理. 6 其它方法 研究发现金属与 CNT 间的浸润性对它们的接 触性能也有较大影响, 浸润性较好的金属更易于与 CNT 形成良好的接触[38]. 例如, 钛、铁、铬等这些 金属对 CNT 的浸润性较好, 更易与 CNT 形成较低 电阻的接触[38]. 在构建 CNT 电子器件的过程中, 研究人员采用 一些简易的技巧改善 CNT 与金属之间的接触[39-42]. 例如, Song 等[39]在 CNT 薄膜上蒸发少许的金属铝 (约 0.3 nm 厚), 而这些微量的金属铝被吸附在 CNT 表面的氧气氧化形成 AlOx 粒子, 然后在这种附有 少量 AlOx 粒子的 CNT 薄膜上制作金属电极, 利用 这些 AlOx 粒子有助于 CNT 与金属电极间电流隧穿 的特性来降低接触电阻. 又如 Nirmalraj 等[40]在进 行局部焦耳热处理的同时, 对 CNT 施加一定压力, 进一步减小接触电阻. 也有采用化学镀的方法在放
第5期 陈长鑫,等:碳纳米管/金属接触改善方法的研究进展 置有CNT金属电极上沉积一层Ni金属来改善接触 特性434,这类方法实现起来相对较容易,且不会 对CNT造成损伤 Ultrasonic welding head 此外,研究表明在一定条件下,压强、温度等因 CNT 素也会对CNT/金属接触产生一定的影响14647如 何利用这些因素改善CNT与金属电极之间的接触 Substrate 还有待更进一步的研究 CNT 7展望 Substrate CNT与金属的接触在CNT器件中有重要的作 用,直接影响器件的性能、可靠性和可应用性等.本 图12超声纳米焊接工艺示意图321 文介绍了目前一些典型的接触改善方法,各有优缺 Fg12 Schematic diagrams of the ultrasonic nanowelding点:(1)高温退火法能批量处理器件且使CNT与金属 process/82) (a) Before welding, (b) After welding 电极间形成稳定、低电阻的碳化物,但是高温会对 CNT器件的其它部分产生不利的影响;(2)局部焦耳 uss fit curve 热法操作简便、处理针对性强,可根据实际接触情 况采用不同的处理条件,但该方法对接触改善的可 重复性有待进一步提高;(3)电子束沉积法可将原先 放置在电极上方的CNT端部包覆上金属层,形成可 81012141618202224 Ra/ ko 靠、良好的电接触,但该方法需要在SEM腔体中操 作,条件较苛刻且效率较低;(4)电子束辐照法也能 一 Sample 1 有效改善沉积在金属电极上的CNT与电极间的接 Sample 2 触,降低接触电阻.该方法同电子束沉积法一样存 0.05 0.10 在处理区域小的问题,另外长时间电子束辐照可能 Ultrasonic power/w 对CNT结构造成损伤,(5)超声纳米焊接技术可使 =0.5 CNT与金属电极间形成牢固、低电阻的电接触,具 1510 有快速、可靠、常温操作、适应范围广的特点,而 下一步需要解决其自动、批量焊接时的精确控制问 题.随着相关研究的不断深入,上述接触改善方法 和技术将不断地完善,从而获得更佳的CNT电极 接触,为高性能CNT器件的制备提供必要的前提条 V=-7.5V-0V 件.当前,人们还在积极探索和研究新的接触改善 15 Step: 1.5V 方法。对CNT与金属接触的改善将向着准确、稳定 便捷、大面积处理的方向发展,从而促进其工业应 用,更有效地提升纳米器件性能 图13(a)金属性 SWCNT的二端电阻值随超声焊接功率的参考文献: 变化关系;插图为对43个样品焊接后得到的最低二端电阻 值进行统计分析和分布拟合,得出焊接后最低电阻主要集] Avouris F, Hertel T, Martel r,eta. Carbon nanotubes 中在15kg左右12,(b)制作的 CNTFET的输出特性曲线 nanomechanics, manipulation, and electronic devices. Applied 插图为其转移特性曲线 Fig. 13 (a) Two-terminal(2t-)resistance as a function of the Surface Science,1999,14l(3/4):201-209 ultrasonic power for two metallic nanotube; Inset: the statistical [2] Zhang Y, Ichihashi T, Landree E, et al. Heterostructrues of analysis and distribution fit of the obtained lowest 2t-resistance single- walled c carbon nanotubes and carbide nanorods. Science for 43 samples after nanowelding, which indicates that the lowest resistance is about 15 ko32),(b)Output characteristic of the 1999,285(5434):1719-1720. fabricated CNTFET Inset transfer characteristic curve 321 3]Martel R, Wong H S P, Chan K, et al. Carbon Nanotube Field
第 5 期 陈长鑫, 等: 碳纳米管/金属接触改善方法的研究进展 455 图12 超声纳米焊接工艺示意图[32] Fig. 12 Schematic diagrams of the ultrasonic nanowelding process[32] (a) Before welding; (b) After welding 图 13 (a) 金属性 SWCNT 的二端电阻值随超声焊接功率的 变化关系; 插图为对 43 个样品焊接后得到的最低二端电阻 值进行统计分析和分布拟合, 得出焊接后最低电阻主要集 中在 15 kΩ 左右[32]; (b) 制作的 CNTFET 的输出特性曲线; 插图为其转移特性曲线[32] Fig. 13 (a) Two-terminal (2t-) resistance as a function of the ultrasonic power for two metallic nanotube; Inset: the statistical analysis and distribution fit of the obtained lowest 2t-resistances for 43 samples after nanowelding, which indicates that the lowest resistance is about 15 kΩ[32]; (b) Output characteristic of the fabricated CNTFET. Inset: transfer characteristic curve[32] 置有 CNT 金属电极上沉积一层 Ni 金属来改善接触 特性[43-45], 这类方法实现起来相对较容易, 且不会 对 CNT 造成损伤. 此外, 研究表明在一定条件下, 压强、温度等因 素也会对 CNT/金属接触产生一定的影响[46-47]. 如 何利用这些因素改善 CNT 与金属电极之间的接触 还有待更进一步的研究. 7 展望 CNT 与金属的接触在 CNT 器件中有重要的作 用, 直接影响器件的性能、可靠性和可应用性等. 本 文介绍了目前一些典型的接触改善方法, 各有优缺 点: (1)高温退火法能批量处理器件且使 CNT 与金属 电极间形成稳定、低电阻的碳化物, 但是高温会对 CNT 器件的其它部分产生不利的影响; (2)局部焦耳 热法操作简便、处理针对性强, 可根据实际接触情 况采用不同的处理条件, 但该方法对接触改善的可 重复性有待进一步提高; (3)电子束沉积法可将原先 放置在电极上方的 CNT端部包覆上金属层, 形成可 靠、良好的电接触, 但该方法需要在 SEM 腔体中操 作, 条件较苛刻且效率较低; (4)电子束辐照法也能 有效改善沉积在金属电极上的 CNT 与电极间的接 触, 降低接触电阻. 该方法同电子束沉积法一样存 在处理区域小的问题, 另外长时间电子束辐照可能 对 CNT 结构造成损伤; (5)超声纳米焊接技术可使 CNT 与金属电极间形成牢固、低电阻的电接触, 具 有快速、可靠、常温操作、适应范围广的特点, 而 下一步需要解决其自动、批量焊接时的精确控制问 题. 随着相关研究的不断深入, 上述接触改善方法 和技术将不断地完善, 从而获得更佳的 CNT/电极 接触, 为高性能 CNT器件的制备提供必要的前提条 件. 当前, 人们还在积极探索和研究新的接触改善 方法. 对 CNT与金属接触的改善将向着准确、稳定、 便捷、大面积处理的方向发展, 从而促进其工业应 用, 更有效地提升纳米器件性能. 参考文献: [1] Avouris P, Hertel T, Martel R, et al. Carbon nanotubes nanomechanics, manipulation, and electronic devices. Applied Surface Science, 1999, 141(3/4): 201−209. [2] Zhang Y, Ichihashi T, Landree E, et al. Heterostructrues of single-walled carbon nanotubes and carbide nanorods. Science, 1999, 285(5434): 1719−1720. [3] Martel R, Wong H S P, Chan K, et al. Carbon Nanotube Field
456 无机材料学报 第27卷 Effect Transistors for Logic A n IEDM Technical Digest, carbon nanotubes and 2001:159-162. metal electrodes. Journal of Applied Physics, 2007, 101(2) 14 Martel R, Derycke V, Lavoie C, et al. Ambipolar electrical 024320-1-7. transport in semiconducting single-wall carbon nanotubes. [18] Tian X J, Wang Y C, Dong Z L. A Study on the assembly Physical Review Letters, 2001, 87(25): 256805-1-4 improvement of electrical contact between carbon nanotube and [5]Avouris P, Appenzeller J, Martel R, et al. Carbon nanotube microelectrode. Advanced Materials Research. 2009. 60-61 electronics. Proceedings of IEEE, 2003, 91(11): 1772-1784 399405 6 Avouris P, Martel R, Derycke V, et al. Carbon nanotube transistors [19] Maki H, Masaki S, Ishibashi J. Local change of carbon nanotube. and logic circuits. Physica B, 2003, 323(1-4): 6-14 metal contacts by current flow through electrodes. Japanese [7 Lee JO, Park C, Kim JJ, et al. Formation of low-resistance ohmic youmal of Applied Physics, 2004, 43(4B): 2027-2030 contacts between carbon nanotube and metal electrodes by a rapid [20] Yamada T, Saito T, Suzuki M, et al. Tunneling between carbon thermal annealing method Journal of Physics D: Applied Physics nanofiber and gold electrodes. Journal of Applied Physics, 2010, 2000,33(16):1953-1956 107(4):044304-1-5 8 Kane A, Sheps T, Branigan E, et al. Contacts to metallic [21 Dong L F, Chirayos V, Bush J, et al. Floating- potential single-walled carbon nanotubes using Pt electrodes. Nano Letters, dielectrophoresis-controlled fabrication of single-carbon-nanotube 2009,910):3586-3591. transistors and their electrical properties. Journal of Physics 9 Bhuvana T, Smith K, Fisher T, et al. Self-assembled CNT circuits Chemisty B,2005,109(27):13148-13153 with ohmic contacts using Pd hexadecanethiolate as in situ solder. [22 Woo Y S, Roth S. Effect of Contact Improvement on the FET Nanoscale,2009,1(2):271-275 Characteristics of an Individual Single Walled Carbon Nanotube [10] Roschier L, Tarkiainen R, Ahlskog M. Manufacture of single AIP Conference Proceeding. 2005. 786: 566-569 electron transistors using AFM manipulation on multiwalled [23]Tsutsui M, Taninouchi Y, Kurokawa S, et al. Bias-induced local arbon nanotubes. Microelectronic Engineering, 2002, 61-62: effects 687-691 Japanese Journal of Applied Physics, 2006, 45(1A): 341-345 [l Huang L, Chor EF, Wu Y, et al. Investigations of niobium carbide [24 Wang MS, Golberg D, Bando Y Superstrong low-resistant carbo contact for carbon-nanotube-based devices. Nanotechnology, 2010 nanotube- carbide- metal nanocontacts. Advanced materials. 2010 22(47):5350-535 [12] Tan MM, Ye X Y, Wang X H, et al. Improving contact of [25 Chen Q, Wang S, Peng L M. Establishing Ohmic contacts for in CNT-metal by annealing. Journal of Functional Materials an situ current-voltage characteristic measurements on a carbon Devices,2008,14(1):227-230. nanotube inside the scanning electron microscope. Nanotechnology 3] Hobara R, Yoshimoto S, Ikuno T, et al. Electronic transport in 2006,17(4):1087-1098 multiwalled carbon nanotubes contacted with patterned electrodes 26]Madsen D N, Molhave K, Mateiu R, et al. Solding of nanotubes japanese ournal of Applied Physics, 2004, 43(8B): 1081-1084 onto microelectrodes Nano Letters, 2003, 3(1): 47-49 [14Hsiou Y, Yang Y J, Stobinski L, et al. On the Ohmic contact 27) Neha K, Misra A, Srinivasan S, et al. Effect of top metal contact or between multiwalled carbon nanotubes and nano-electrodes electrical transport through individual multiwalled carbon hinese Journal of Physics, 2005, 43(1-11): 293-297 nanotube Applied Physics Letters, 2010, 97(22): 222102-1-3 [15]Woo Y S, Duseberg Gi Roth S. Reduced contact resistance 8 Tersoff J. Contact resistance of carbon nanotubes. Applied Physics between an individual single-walled carbon nanotube and Letters.1999,74(15):2122-2124 electrode by a local point annealing. Nanotechnology, 2007 (29Bachtold A, Henny M, Terrier C, et al. Contacting carbon 095203-1-3 nanotubes selectively with low-ohmic contacts for four-probe [16 Asaka K, Karita M, Saito Y Modification of interface structure and electric measurements. Applied Physics Letters, 1998, 730 274-276. by local melting. Applied Surface Science, 2011, [30 Ando A, Shimizu T, Abe H, et al. Improvement of electric 257(7):2850-2853 contact at carbon nanotube/Pt by selective electron irradiation. [17 Dong L F, Youkey S, Bush J, et al. Effect of local joule heating on Physica E,2004,24(12):6-9
456 无 机 材 料 学 报 第 27 卷 Effect Transistors for Logic Application. IEDM Technical Digest, 2001: 159−162. [4] Martel R, Derycke V, Lavoie C, et al. Ambipolar electrical transport in semiconducting single-wall carbon nanotubes. Physical Review Letters, 2001, 87(25): 256805−1−4. [5] Avouris P, Appenzeller J, Martel R, et al. Carbon nanotube electronics. Proceedings of IEEE, 2003, 91(11): 1772−1784. [6] Avouris P, Martel R, Derycke V, et al. Carbon nanotube transistors and logic circuits. Physica B, 2003, 323(1-4): 6−14. [7] Lee J O, Park C, Kim J J, et al. Formation of low-resistance ohmic contacts between carbon nanotube and metal electrodes by a rapid thermal annealing method. Journal of Physics D:Applied Physics, 2000, 33(16):1953−1956. [8] Kane A, Sheps T, Branigan E, et al. Contacts to metallic single-walled carbon nanotubes using Pt electrodes. Nano Letters, 2009, 9(10): 3586−3591. [9] Bhuvana T, Smith K, Fisher T, et al. Self-assembled CNT circuits with ohmic contacts using Pd hexadecanethiolate as in situ solder. Nanoscale, 2009, 1(2): 271−275. [10] Roschier L, Tarkiainen R, Ahlskog M. Manufacture of single electron transistors using AFM manipulation on multiwalled carbon nanotubes. Microelectronic Engineering, 2002, 61-62: 687−691. [11] Huang L, Chor E F, Wu Y, et al. Investigations of niobium carbide contact for carbon-nanotube-based devices. Nanotechnology, 2010, 21(9): 095201. [12] Tan M M, Ye X Y, Wang X H, et al. Improving contact of CNT-metal by annealing. Journal of Functional Materials and Devices, 2008, 14(1): 227−230. [13] Hobara R, Yoshimoto S, Ikuno T, et al. Electronic transport in mutiwalled carbon nanotubes contacted with patterned electrodes. Japanese Journal of Applied Physics, 2004, 43(8B): 1081−1084. [14] Hsiou Y, Yang Y J, Stobinski L, et al. On the Ohmic contact between multiwalled carbon nanotubes and nano-electrodes. Chinese Journal of Physics, 2005, 43(1-II): 293−297. [15] Woo Y S, Duseberg G, Roth S. Reduced contact resistance between an individual single-walled carbon nanotube and a metal electrode by a local point annealing. Nanotechnology, 2007, 18(9): 095203−1−3. [16] Asaka K, Karita M, Saito Y. Modification of interface structure and contact resistance between a carbon nanotube and a gold electrode by local melting. Applied Surface Science, 2011, 257(7): 2850−2853. [17] Dong L F, Youkey S, Bush J, et al. Effect of local joule heating on the reduction contact resistance between carbon nanotubes and metal electrodes. Journal of Applied Physics, 2007, 101(2): 024320−1−7. [18] Tian X J, Wang Y C, Dong Z L. A Study on the assembly and improovement of electrical contact between carbon nanotube and microelectrode. Advanced Materials Research, 2009, 60-61: 399−405. [19] Maki H, Masaki S, Ishibashi J. Local change of carbon nanotubemetal contacts by current flow through electrodes. Japanese Journal of Applied Physics, 2004, 43(4B) : 2027−2030. [20] Yamada T, Saito T, Suzuki M, et al. Tunneling between carbon nanofiber and gold electrodes. Journal of Applied Physics, 2010, 107(4) : 044304−1−5. [21] Dong L F, Chirayos V, Bush J, et al. Floating-potential dielectrophoresis-controlled fabrication of single-carbon-nanotube transistors and their electrical properties. Journal of Physics Chemisty B, 2005, 109(27) : 13148−13153. [22] Woo Y S, Roth S. Effect of Contact Improvement on the FET Characteristics of an Individual Single Walled Carbon Nanotube. AIP Conference Proceeding, 2005, 786: 566−569. [23] Tsutsui M, Taninouchi Y, Kurokawa S, et al. Bias-induced local heating effects on multi-walled carbon nanotube-Au contacts. Japanese Journal of Applied Physics, 2006, 45(1A): 341−345. [24] Wang M S, Golberg D, Bando Y. Superstrong low-resistant carbon nanotube-carbide-metal nanocontacts. Advanced Materials, 2010, 22(47): 5350−5355. [25] Chen Q, Wang S, Peng L M. Establishing Ohmic contacts for in situ current-voltage characteristic measurements on a carbon nanotube inside the scanning electron microscope. Nanotechnology, 2006, 17(4): 1087−1098. [26] Madsen D N, Molhave K, Mateiu R, et al. Solding of nanotubes onto microelectrodes. Nano Letters, 2003, 3(1): 47−49. [27] Neha K, Misra A, Srinivasan S, et al. Effect of top metal contact on electrical transport through individual multiwalled carbon nanotube. Applied Physics Letters, 2010, 97(22): 222102−1−3. [28] Tersoff J. Contact resistance of carbon nanotubes. Applied Physics Letters, 1999, 74(15): 2122−2124. [29] Bachtold A, Henny M, Terrier C, et al. Contacting carbon nanotubes selectively with low-ohmic contacts for four-probe electric measurements. Applied Physics Letters, 1998, 73(2): 274−276. [30] Ando A, Shimizu T, Abe H, et al. Improvement of electrical contact at carbon nanotube/Pt by selective electron irradiation. Physica E, 2004, 24(1/2): 6−9
第5期 陈长鑫,等:碳纳米管/金属接触改善方法的研究进展 31] Roc electronics. J. Vac. Sci. Technol. B, 2010, 29(1): 011011-1-3 between metals and carbon nanotubes as ultimate nanocontacts. [40 Nirmalraj PN, Boland J J Selective tuning and optimization of the Applied Physical Science, 2009, 106(12): 4591-4595 contacts to metallic and semiconducting single-walled carbon 32]Chen C X, Yan L J, Kong E S, et al. Ultrasonic nanowelding of nanotubes. ACS Nano, 2010, 4(7): 3801-3806 carbon nanotubes to metal electrodes. Nanotechnology, 2006, [41] Dockendorf C, Steinlin M, Proulikakos D. Individual carbon nanotube soldering with gold nand position. Applied Physics [33] Chen CX, Liu L Y, Lu Y, et al. A method for creating reliable and Letters,2007,90(19):193116-1-3 ow-resistance contacts between carbon nanotubes and 142 Lee S, Park JY, Cho Y S, et al. Nanosoldering of carbon nanotubes microelectrodes Carbon, 2007, 45(2): 436-442 on metal electrodes with an atomic force microscope. Journal of Vacuum Science and Technology B, 2007, 25(3): 916-1-6 FETs and complementary logic gates with nanowelded contacts 43] Liebau M, Unger E, Duesberg G et al. Contact improvement of IEEE Electron Device Letters, 2006, 27(10): 852-855 carbon nanotubes via electroless nickel deposition. Applied Physics 35] Chen C x, Zhang w, Zhang Y F Multichannel carbon nanotube A,2003,77(6):731-734 [ Seidel R, Liebau M, Duesberg G et al. In-situ contacted single. Physics Letters,2009,95(19):192110-1-3 walled carbon nanotubes and contact improvement by electroless 36] Chen C X, Lu Y, Kong E S, et al. Nanowelded carbon-nanotube- deposition. Nano Letters, 2003, 3(7): 965-968 based solar microcells. Small, 2008, 4(9): 1313-1318. [45] Leon J, Flacker A, Vaz A, et al. Electrical characterization of B7] Chen C X, Zhang w, Kong E S, et al. Carbon nanotube multi-walled carbon nanotubes. Journal of Nanoscience and photovoltaic device with asymmetrical contacts. Appllied Physics Nanotechnology, 2010, 10(9): 6234-6239 Letters,2009,94(26):263501-1-3. [46] Caillier C, Ayan A, Gouttenoire V, et al. Gold contact to individual 8 Lim S C, Jang J H, Bae D J, and carbon nanotube interconnects effect of work function and wettability. Applied Physics Letters, 2009, 95(26): 264103-1-3 [47] Kasumov A, Deblock R, Kociak M, et al. Supercurrents through B9 Song Y J, Kang S J. Improvement of contact resistance between ingle-walled carbon nanotubes. Science, 1999, 284(5419) carbon nanotubes and metal electrodes for high performance 1508-1510
第 5 期 陈长鑫, 等: 碳纳米管/金属接触改善方法的研究进展 457 [31] Rodriguez-Manzo J, Banhart F, Terrones M, et al. Heterojunctions between metals and carbon nanotubes as ultimate nanocontacts. Applied Physical Science, 2009, 106(12): 4591−4595. [32] Chen C X, Yan L J, Kong E S, et al. Ultrasonic nanowelding of carbon nanotubes to metal electrodes. Nanotechnology, 2006, 17(9): 2192−2197. [33] Chen C X, Liu L Y, Lu Y, et al. A method for creating reliable and low-resistance contacts between carbon nanotubes and microelectrodes. Carbon, 2007, 45(2): 436−442. [34] Chen C X , Xu D, Kong E S, et al. Multichannel carbon-nanotube FETs and complementary logic gates with nanowelded contacts. IEEE Electron Device Letters, 2006, 27(10): 852−855. [35] Chen C X, Zhang W, Zhang Y F. Multichannel carbon nanotube field-effect transistors with compound channellayer. Applied Physics Letters, 2009, 95(19): 192110−1−3. [36] Chen C X, Lu Y, Kong E S, et al. Nanowelded carbon-nanotubebased solar microcells. Small, 2008, 4(9): 1313−1318. [37] Chen C X, Zhang W, Kong E S, et al. Carbon nanotube photovoltaic device with asymmetrical contacts. Appllied Physics Letters, 2009, 94(26): 263501−1−3. [38] Lim S C, Jang J H, Bae D J, et al. Contact resistance between metal and carbon nanotube interconnects:effect of work function and wettability. Applied Physics Letters, 2009, 95(26): 264103−1−3. [39] Song Y J, Kang S J. Improvement of contact resistance between carbon nanotubes and metal electrodes for high performance electronics. J. Vac. Sci. Technol. B, 2010, 29(1): 011011−1−3. [40] Nirmalraj P N, Boland J J. Selective tuning and optimization of the contacts to metallic and semiconducting single-walled carbon nanotubes. ACS Nano, 2010, 4(7): 3801−3806. [41] Dockendorf C, Steinlin M, Proulikakos D. Individual carbon nanotube soldering with gold nanoink deposition. Applied Physics Letters, 2007, 90(19): 193116−1−3. [42] Lee S, Park J Y, Cho Y S, et al. Nanosoldering of carbon nanotubes on metal electrodes with an atomic force microscope. Journal of Vacuum Science and Technology B, 2007, 25(3): 916−1−6. [43] Liebau M, Unger E, Duesberg G, et al. Contact improvement of carbon nanotubes via electroless nickel deposition. Applied Physics A, 2003, 77(6): 731−734. [44] Seidel R, Liebau M, Duesberg G. et al. In-situ contacted singlewalled carbon nanotubes and contact improvement by electroless deposition. Nano Letters, 2003, 3(7): 965−968. [45] Leon J, Flacker A, Vaz A, et al. Electrical characterization of multi-walled carbon nanotubes. Journal of Nanoscience and Nanotechnology, 2010, 10(9): 6234−6239. [46] Caillier C, Ayan A, Gouttenoire V, et al. Gold contact to individual metallic carbon nanotubes: asensitive nanosensor for high-pressure. Applied Physics Letters, 2010, 97(17): 173111−1−3. [47] Kasumov A, Deblock R, Kociak M, et al. Supercurrents through single-walled carbon nanotubes. Science, 1999, 284(5419): 1508−1510