碳材料:新兴电子器件的未来

集成电路芯片是现代信息技术的基石。然而,硅基电子器件正在逼近其物理及设计极限,新一代非硅电子学的发展备受瞩目。碳材料家族众多同素异形体的独特性质以及碳基器件具有的更快响应速度,更低功耗及更高性能等诸多优点随着不断升级的制备技术和持续革新的器件设计正在创造着一场电子技术革命。本文基于碳材料家族中具有代表性的一维碳纳米管、二维石墨烯和三维金刚石,系统总结了其结构、特性及制备方法。同时从不同应用领域出发,列举了碳纳米管、石墨烯及金刚石的众多先进电子学应用。此外,新型全碳复合材料基于多维同素异构体复合的互补特性更加呈现出了碳材料在新一代非硅电子学应用的不可替代性。随着高质量材料制备技术、高性能器件优化设计及规模化生产的逐步完善,碳电子的未来已经到来。     

硅纳米晶及纳米结构在微电子设计中的应用

在纳米尺度，半导体器件将会呈现出不同于宏观尺度的光学、电学性能，充分利用这些性能可以制备很多具有特殊用途的器件。本书分别介绍了硅纳米晶及其纳米结构在光电器件、电子器件及功能器件等三方面的应用。     

低维碳材料

<正>低维碳材料主要指富勒烯、碳纳米管、石墨烯等新发现的碳元素的新型同素异形体。低维碳材料是过去30年来材料科学领域最重要的科学发现,具有极其重要的科学价值和应用前景,其中富勒烯和石墨烯分别于1996年和2010年相继获得诺贝尔化学奖和物理奖。由于独特的几何结构和以sp2杂化轨道为主的成键结构,低维碳材料集优异的电学、力学、热学、光学等性能于一体。例如:石墨烯和碳纳米管是已知最薄和最细的材料,具有     

糊精及聚乙二醇水溶液放电制备洋葱状富勒烯

考察了不同有机介质对制备碳纳米材料的影响,以糊精(C6H10O5)水溶液为放电介质,石墨做电极,成功制备了纳米洋葱状富勒烯(Onion-like Fullerenes:OLFs)和多壁碳纳米管.利用场发射扫描电子显微镜,高分辨透射电镜和X-射线衍射对所得产物进行了表征.结果表明:OLFs和多壁碳纳米管富含在阴极沉积物中且形貌规则,石墨化程度高;漂浮在糊精溶液表面的产物中没有OLFs和碳管的生成.以聚乙二醇水溶液为放电介质,未发现洋葱状富勒烯,但有大量的碳管和碳球存在,研究表明利用无毒有机介质水溶液制备碳纳米材料是可行的.     

硼氮掺杂碳纳米管的电子输运性能

基于密度泛函理论的第一性原理,我们采用碳纳米管做电极,且纳米管一端与半个C60连接,两纳米管之间用烷链连接,构建了电子器件,通过在C60上进行硼氮掺杂,发现器件具有明显的整流效应.进一步研究了不同长度烷链的电子输运性能,发现选择合适的碳链长度,有利于提高器件的整流系数.     

全碳纳米管薄膜宏观电子器件的研究进展

近年来,宏观电子学受到了人们的广泛关注,它与大家熟知的微电子学互为补充但存在概念性差异。全碳纳米管薄膜器件具有优异的性能,尤其在柔性透明宏观电子器件方面具有明显的优势。研究人员发展了碳纳米管分离技术、薄膜制备技术和分层转移技术,并在此基础上实现了高性能全碳纳米管薄膜器件的构建。本文系统介绍了大面积碳纳米管薄膜的制备、碳纳米管之间的接触及其导电机制和全碳纳米管薄膜宏观电子器件的研究进展及应用,最后就该领域的研究现状及面临的主要问题进行了总结和展望。     

科学新闻

制备分支碳纳米管阵列的新方法——气流波动法碳纳米管因其优良的电学和机械性能目前已广泛地被用来制作多种纳米电子器件,但是如何将这些独立的电子器件连接成一个功能系统,如纳米电路等,仍是纳米电子学领域的一大挑战。中科院化学所有机固体重点实验室刘云圻、朱道本研究组提出了一种新的制备方法来解决这一难题。他们发现气流波动能可控地制备分支碳纳米管阵列。同时通过改变气流的成分可以控制分支碳纳米管中各部分的化学组成。基于此,他们提出了分支碳纳米管形成的一种新机制。该方法简单可控,为分支碳纳米管用于制备未来的纳米集成电路提供了可能,并可能用于制备其它材料的分支纳米结构,对分支纳米结构的制备和纳米器件的集成具有重要意义。相关研究论文发表在2006年2月Nano Letters,6(2):186～192上。     

二维石墨烯制备方法研究进展

石墨烯是目前发现的唯一存在的二维自由态原子晶体,是构筑零维富勒烯、一维碳纳米管、三维体相石墨等sp2杂化碳的基本结构单元。石墨烯因具有独特的结构和优异的性能,吸引了不同领域科学家的关注,极具应用前景。对近几年石墨烯的主要制备方法进行了综述,对比了不同制备方法的优缺点,同时分析了石墨烯制备方法的发展趋势。     

离子轰击辅助电子束蒸发制备含有纳米石墨结构的非晶碳膜

采用离子轰击辅助电子束蒸发技术制备了含有纳米石墨结构的碳膜。利用XRD、Ralnan和AFM等方法分析了碳膜的厚度、结构、相成分和形貌。结果表明制备的碳膜是一种具有纳米石墨结构的非晶碳膜。随着离子轰击能量的增大,碳膜的厚度随之减小,纳米石墨结构sp2团簇的尺寸变大,碳膜表面粗糙度增大,并找到了最佳的离子轰击能量。通过对Raman光谱分析发现,在最佳离子轰击能量下形成的纳米石墨结构sp2团簇尺寸大小约为2nm。     

碳基材料在电化学传感中的研究进展

电化学传感器具有简单、分析时间短、成本低、灵敏度高等优点,在环境分析和药物分析中越来越受重视.各种纳米材料和信号放大策略已被制备并用于电化学传感器的构建材料,如金纳米颗粒、双金属纳米颗粒、功能化石墨烯、碳纳米管、石墨烯量子点和金属有机框架.碳基材料具有优异的性能,包括丰富的孔结构、高比表面积、可调的表面功能性、良好的、导电性、易于化学功能化,在电化学传感领域显示出广阔的应用前景.该文具体阐述了碳基材料的性质、结构和合成,讨论了碳基及复合材料在电化学传感中的应用,有效的提高了灵敏度,最后对碳基材料面临的挑战和未来发展进行了展望.