论文题目: 碳纳米管在介质溶液中电学性质及相关问题研究
论文类型: 博士论文
论文专业: 凝聚态物理
作者: 吕建伟
导师: 王万录
关键词: 碳纳米管,电解液,电势,伏安特性,整流特性,场效应特性
文献来源: 重庆大学
发表年度: 2005
论文摘要: 利用分子和小化学组团构建新一代计算机的想法由来已久。然而,过去几年间,这种想法日趋强烈。这是因为从技术和经济双重角度看,传统的硅集成电路不断缩小趋势将达到极限而难以进一步微缩。科研工作者们希望利用纳米材料解决这一问题,在现有的芯片体积下集成数万亿计的电子元件。利用纳米材料制作纳米器件和纳米电路的呼唤变得越来越强烈。在各种的相关技术中,以碳纳米管为基本组件架构的相关技术发展的最为迅速。近年来,已有大量这方面的优秀成果相继发表在著名的学术刊上,如:《Nature》和《Science》。2001年12月,由《Science》评选出的世界十大科技突破中,“纳米计算电路”高踞首位。 碳纳米管是1991年由日本科学家发现的一种碳的同素异形体。碳纳米管可以看作是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的圆柱管体。碳纳米管分为单壁碳纳米管(SWNT)和多壁碳纳米管(MWNT)两种。碳纳米管具有许多优异的物理化学性能,并为其带来了广阔的应用前景。特别是其电学方面的特性,在纳米电子学领域有着十分重要的应用价值。碳纳米管被认为是未来制造纳米电子器件和纳米电路的理想材料,如二极管、三极管、场效应管及连接导线等。这将给未来集成电路制造业带来巨大的革命。 大量的研究表明,碳纳米管及其薄膜在电解液中具有许多的特殊性质,因此研究碳纳米管在溶液中的电学性质有十分重要的意义。本文对碳纳米管在介质溶液中,特别是在电解质溶液中的电学性质及相关问题进行了研究,包括对其整流效应、场效应和其它多方面电学性质的实验和理论研究。 1) 对碳纳米管进行表征及化学酸处理。对处理前后的碳纳米管进行光谱分析、比对。将A. B. Kaiser提出的关于膜电阻的异类丝状模型(Heterogeneous Fibrillar Model)引入到碳纳米管膜电阻的分析模型中。分别对空气和水氛围下,碳纳米管膜电阻进行了研究,并对膜电阻随温度变化的关系进行了实验。 2) 对多壁碳纳米管与电解液(如:KCl、NaCl溶液)界面间的伏安特性曲线进行测量,首次发现碳纳米管与电解液界面存在良好的整流特性。该效应与溶液的性质、浓度、温度有关,并随浓度和温度的增加而增强。而碳纳米管与非电解质溶液(如:无水乙醇、丙酮等)形成的界面没有该效应出现。并对整流效应进行了分析。 3) 通过溶液对碳纳米管膜施加栅极电压并测量其电流电压关系,首次发现电解液栅型的碳纳米管膜对流经膜两端电极间的电流有明显的控制作用,具有显著的场效应特性。在栅压2V时,其跨导约为0.3mA/V。而在无水乙醇、水等非电
论文目录:
中文摘要
英文摘要
1 绪论
1.1 引言
1.2 碳纳米管及其结构特点
1.2.1 碳纳米管的发现
1.2.2 碳纳米管的分类
1.2.3 碳纳米管的结构特点
1.3 碳纳米管的性质和应用
1.3.1 碳纳米管的吸附、储氢性质及应用
1.3.2 碳纳米管的模板特性及应用
1.3.3 碳纳米管的电学性质和应用
1.3.4 碳纳米管的力学性质和应用
1.3.5 碳纳米管的其它性质和应用
1.4 碳纳米管在纳米电子学方面的研究进展
1.4.1 整流效应研究状况
1.4.2 场效应特性研究状况
1.4.3 其它
1.5 本文的研究内容、创新点和意义
2 碳纳米管样品的制备、表征和处理
2.1 引言
2.2 碳纳米管的制备和表征
2.2.1 碳纳米管的制备
2.2.2 碳纳米管的表征
2.3 碳纳米管的化学处理
2.4 碳纳米管膜实验样品的制备
2.5 化学处理对碳纳米管影响
2.5.1 化学处理前后碳纳米管形貌对比分析
2.5.2 碳纳米管化学处理前后光谱对比分析
2.6 小结
3 碳纳米管膜电子输运性质的研究
3.1 引言
3.2 碳纳米管膜电阻模型
3.2.1 Luttinger Liquid系统
3.2.2 碳纳米管膜电阻模型
3.2.3 碳纳米管结电阻
3.3 碳纳米管在空气中的导电性能侧量
3.3.1 室温下碳纳米管膜电阻测量
3.3.2 碳纳米管膜电阻随温度变化的测量
3.4 碳纳米管膜在水蒸汽氛围下的电阻变化
3.5 小结
4 碳纳米管膜整流性质的研究
4.1 引言
4.2 半导体PN结的特性
4.3 多壁碳纳米管的整流效应测量实验
4.4 多壁碳纳米管的整流效应测量结果
4.5 碳纳米管膜的整流效应测量分析
4.5.1 界面的PN结分析模型
4.5.2 碳纳米管PN结模型的扩散电流
4.5.3 碳纳米管膜界面整流效应的讨论
4.5.4 类PN结模型的死区电压
4.6 本章小结
5 碳纳米管膜场效应性质的研究
5.1 引言
5.2 场效应晶体管特性的背景知识
5.2.1 MOS场效应晶体管的工作原理
5.2.2 MOS场效应晶体管的特性曲线
5.2.3 MOS场效应晶体管的主要参数
5.3 多壁碳纳米管的场效应特性测量实验
5.4 碳纳米管的场效应特性测量结果
5.5 碳纳米管膜的场效应特性测量
5.5.1 膜/电解液界面的双电容模型
5.5.2 碳纳米管场效应特性
5.5.3 多壁碳纳米管膜FET的跨导gm
5.6 小结
6 碳纳米管膜/溶液界面电势研究
6.1 引言
6.2 多壁碳纳米管膜/介质溶液界面的电势研究
6.2.1 膜/液界面的电势测量实验
6.2.2 膜/液界面的电势测量结果
6.2.3 膜/液界面的电势实验分析
6.3 碳纳米管膜/电解液的双电层电容模型分析
6.4 流体对碳纳米管膜的电势影响实验
6.4.1 实验测量
6.4.2 电势产生机理分析
6.5 小结
7 结论
7.1 全篇总结
7.2 碳纳米管纳米电子学大规模应用面临的困难
7.2.1 金属性及半导体性的碳纳米管分离问题
7.2.2 碳纳米管排列及定位问题
7.3 展望
致谢
参考文献
附录 1. 作者在攻读博士学位期间发表的论文目录
附录 2. 作者在攻读博士学位期间参加的科研项目及学术会议
独创性声明
学位论文版权使用授权书
发布时间: 2005-11-07
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