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。     

薄膜科学研究进展

薄膜科学在物理学与材料学科中已形成了一门分支学科。特别是半个世纪以来，电子学的发展需要新器件和新材料的突破，薄膜科学就是开发新材料和新器件非常重要的领域。电子器件的尺寸越来越小，40年代的真空管器件是几十厘米大小，60年代的器件是毫米大小，80年代的超大规模集成电路中的器件是微米大小，到2000年分子电子器件将是纳米量级的。这就要求研究亚微米和纳米的薄膜制备技术，并利用亚微米和纳米结构的薄膜制备各种新型功能器件。所有固体材料都能制成薄膜型材料，而薄膜是二维的，现在工业上所用的薄膜都是极薄的，从几十纳米到微…     

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。     

液相外延法制备金属-有机骨架薄膜及其应用

金属-有机骨架化合物(MOFs)在微纳米器件、传感器、功能性涂膜和电催化等领域的应用通常要求MOFs生长于各种基底表面形成MOFs薄膜。近年来,制备MOFs薄膜的方法得到了极大的发展,其中液相外延法(LPE)结合自组装单分子层(SAMs)是目前制备高质量MOFs薄膜最重要的技术之一。总结了LPE与SAMs相结合的技术在制备厚度、形貌、晶体取向以及组分可控的MOFs薄膜方面取得的重要成果,介绍MOFs薄膜在气体选择性吸附、光伏器件和电子器件领域的应用。最后提出LPE法制备MOFs薄膜面临的问题以及今后的发展方向,以期MOFs在传感器、光电器件和电催化领域取得更多成果。     

纳米纸在绿色电子器件中的研究进展

 纳米纸是由纳米纤维素自组装形成的二维薄膜材料,具有高透明性和极低的表面粗糙度,是一种理想的柔性电子器件基底材料。与合成高分子基底材料相比,纳米纸可以生物降解,为绿色电子器件的制备提供了条件。本文梳理了纳米纸的制备工艺、纳米纸的特点及纳米纸在柔性绿色电子器件,尤其是场效应晶体管、能源器件和发光器件等方面的应用。针对纳米纸在大规模低成本制备、在柔性绿色电子器件中存在的问题进行了分析,并对纳米纸在生物传感中的应用进行了展望。     

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。     

面向柔性电子的形状记忆聚合物

与传统电子器件的刚性相比,柔性电子器件可弯曲、可延展,在诸如可穿戴设备等应用中显示出不可比拟的优势.现有柔性电子器件通常基于宏观平面设计,限制了其发展.形状记忆聚合物作为一类智能材料,具有形状可控、模量可调等特点,在电子器件方面受到了越来越广泛的关注.将形状记忆聚合物引入柔性电子器件,不仅可以更好地调节柔性电子器件的物理性能,还能使器件具有复杂的宏观三维立体结构,从而显示出更强大的功能.此外,形状记忆聚合物在柔性器件的制备上可以起到独特的作用.本文综述了形状记忆聚合物作为柔性电子基体材料和转印图章的发展过程及研究进展,并对该领域的未来发展方向进行展望.     

碳纳米管薄膜场效应晶体管的初步研究

硅电子器件是微电子科技中最重要的一类器件,它对二十世纪的科技发展起了重要的影响。但是小型化,高速,低能耗和散热的问题,使硅器件越来越难满足发展的需求。碳以很多形式出现,如金刚石,石墨,富勒烯和纳米管,无定型碳等。和氢结合以后,可以得到一系列的有机物。碳基材料范围很广,包括小分子和聚合物,它们包括绝缘体,半导性能和导电聚合物,具有开关性能,具有超导性能和磁性能等。将来碳基电子将有可能取代硅电子器件。固态碳有两种成键方式,sp3和sp2成键形式。在它的sp2成键形式中,如富勒烯和石墨,碳是半导体性能的。富勒烯的衍生物如C60和C70已经被用于制备有机薄膜晶体管。石墨本身尽管在电子器件中没有很多的应用,但是如果它按一定角度卷成管状——纳米碳管。碳纳米管具有独特的电学和力学性能,自1991年被发现以来,立即引起了各国科学家的广泛兴趣,其研究热情有增无减。由碳纳米管制备纳米电子器件,这可能是集碳纳米管各种物理化学性能于一体的,实现其巨大潜能的终极目标。     

低噪声、宽谱响应的碳纳米管薄膜-石墨烯复合光探测器

采用高纯半导体碳纳米管薄膜和石墨烯构建复合结构光探测器, 研究其光电响应特性。结果表明, 在光照下, 顶层石墨烯中的光生载流子通过碳纳米管与石墨烯之间薄的非晶硅层, 隧穿至底层的碳纳米管薄膜中, 在非晶硅层两侧分别富集电子和空穴, 形成光致栅压(Photogating), 有效地改变了碳纳米管薄膜晶体管的电流。器件在可见光(633 nm)条件下得到响应度为83 mA/W, 并在近红外波段范围内仍保持好的光响应特性。由于石墨烯具有宽谱光吸收特性, 半导体碳纳米管薄膜晶体管具有小的暗电流, 碳纳米管–石墨烯复合光探测器发挥了两种材料的优势, 为今后高性能宽谱光电探测器的制备奠定了基础。     

碳纳米管场发射显示屏栅极工艺的研究

利用优质云母板作为栅极结构基底材料，结合简单的丝网印刷工艺将导电银浆制作成条状栅极，制作了新型的栅极结构；采用高温分解方法制备了碳纳米管薄膜阴极，制作了三极结构碳纳米管阴极平板显示屏样品。该样品具有良好的场致发射特性以及栅极控制能力。利用这种新型的栅极结构，能够克服整体器件高温封装所带来的技术困难，避免碳纳米管阴极和阳极荧光粉的损伤，实现了稳定可靠的高温封装，具备了制作大面积场致发射器件的潜力。     

超顺排碳纳米管阵列、薄膜、长线——通向应用之路

碳纳米管阵列是一种通过自组织形成的有序碳纳米管集体,其中的碳纳米管垂直于基底排列起来.超顺排碳纳米管阵列是一种特殊的碳纳米管阵列,其独特之处在于可以直接抽出连续的碳纳米管薄膜.该碳管薄膜仅有几十纳米厚,既透明又导电,其中的碳管沿抽拉方向平行排列.如果让拉出的薄膜通过一挥发性溶剂,或者采用边拉边绞的方式,该碳管薄膜又可以收缩成长线.该收缩后的长线具有高的力学强度和杨氏模量,是电的良导体.这些连续的薄膜和长线,将纳米级的碳管变成宏观可操控的客体,将碳纳米管优异的物理化学性质带到各种宏观应用,打开了一条从纳米世界通向宏观应用之路.该文将介绍超顺排碳纳米管在宏观尺度的应用和基于超顺排碳纳米管的产品,如高分辨透射电子显微镜用碳纳米管微栅,透明柔性可拉伸的碳纳米管薄膜扬声器,碳纳米管触摸屏等.     

石墨烯电极及其在有机光电子器件中的应用

石墨烯具有独特的电学性能、优异的力学性能与机械延展性、良好的热稳定性与化学稳定性,是制备高性能导电薄膜的理想替代者,石墨烯基导电薄膜及其有机半导体光电子器件研究引起了人们广泛的关注。文章主要介绍了石墨烯导电薄膜的制备以及石墨烯导电薄膜作为电极应用在有机光电子器件如有机电致发光二极管、有机太阳能电池和有机电存储器件方面的研究进展,并对石墨烯电极的应用进行了展望。     

碳纳米管薄膜对重金属离子吸附的研究及应用

采用刮涂法制备碳纳米管(CNT)薄膜,以铜离子(Cu2+)为例,研究了其吸附去除重金属离子的行为.结果表明,碳纳米管薄膜吸附Cu2+满足Langmuir等温吸附;278 K时符合准二级动力学模型,而在298 K和318 K时符合准一级动力学模型;在298 K时CNT薄膜吸附Cu2+的最大吸附量为4.14 mg/g.在应用层面,设计了一套基于该CNT薄膜的水处理器件.     

钛合金表面稀土碳纳米管薄膜制备及其摩擦磨损性能分析

使用稀土对碳纳米管进行表面修饰,采用自组装技术在医用钛合金表面制备稀土改性碳纳米管复合薄膜,采用扫描电子显微镜（SEM）及X射线光电子能谱仪（XPS）对稀土改性碳纳米管复合薄膜的形貌及组成进行表征,并使用UMT-2MT型动-静摩擦系数精密测定仪评价薄膜的摩擦磨损性能.结果表明：在钛合金表面能够制备出硅烷薄膜及稀土改性碳纳米管复合薄膜;稀土元素能显著改善碳纳米管的表面活性,并作为基底与碳纳米管的联接介质;稀土改性碳纳米管复合薄膜的摩擦系数约为0.13,减摩效果显著,且薄膜具有良好的耐磨性能.
     

碳纳米管场发射显示器及其全印刷制造技术

针对现有的碳纳米管场发射显示器(CNT-FED)制造技术中存在的工艺复杂、成本过高的问题,提出了用于制造碳纳米管场发射显示器的全印刷制造技术,即采用丝网印刷工艺制备CNT-FED器件内部包括各电极图形、碳纳米管阵列、荧光粉点阵和绝缘支撑层在内的所有结构.同现有的CNT-FED制造技术相比,全印刷技术具有操作简单、成本低廉的优点.采用新技术制造了对角线为14 cm的可矩阵寻址的二极结构CNT-FED,分辨率为160×120像素点阵.该器件在220 V电压下可达到1×104cd/m2的高亮度,工作电压降低到200 V以内,已经可以用现有等离子体显示屏的驱动集成电路来实现控制.     

水溶性聚苯胺/碳纳米管复合材料的制备及光限幅性能

为了制备激光防护材料,采用原位聚合法制备了水溶性聚苯胺/多壁碳纳米管复合材料。通过红外光谱分析、紫外-可见光光谱、透射电子显微镜等表征,用方形四探针法测量薄膜电导率。结果表明,水溶性聚苯胺包裹在碳纳米管表面,聚苯胺包裹层的厚度大约在15～25 nm;复合材料的薄膜电导率较水溶性聚苯胺的电导率提高了一个数量级。复合材料水分散液在低入射光强下透光率接近85%时;入射光强达到2.5 J/cm2,透光率降至11%。因此,复合材料水分散液的光限幅性能优于碳纳米管,具有良好水分散性,有望实现材料的器件化。     

水溶性聚苯胺/碳纳米管复合材料的制备及光限幅性能

为了制备激光防护材料,采用原位聚合法制备了水溶性聚苯胺/多壁碳纳米管复合材料。通过红外光谱分析、紫外-可见光光谱、透射电子显微镜等表征,用方形四探针法测量薄膜电导率。结果表明,水溶性聚苯胺包裹在碳纳米管表面,聚苯胺包裹层的厚度大约在15～25nm;复合材料的薄膜电导率较水溶性聚苯胺的电导率提高了一个数量级。复合材料水分散液在低入射光强下透光率接近85%时;入射光强达到2.5J/cm2,透光率降至11%。因此,复合材料水分散液的光限幅性能优于碳纳米管,具有良好水分散性,有望实现材料的器件化。     

碳纳米管的制备与应用

综述了清华大学机械工程系纳米碳材料实验室10年来在碳纳米管相关领域的研究成果。采用浮动催化法制备了多壁碳纳米管、单壁碳纳米管、双壁碳纳米管和定向碳纳米管薄膜,针对各种产物的结构特点,研究了碳纳米管在力学、电学、复合材料、双电层电容器、场发射、储氢和环保等方面的性能。不同类型的碳纳米管具有不同的力学、电学和吸附性能,具有潜在的应用前景。     

“纳米碳管薄膜新工艺技术研究”项目通过教育组织的科技成果鉴定

2002年1月5日，我校朱长纯教授等完成的“纳米碳管薄膜新工艺技术研究”通过了教育部组织的科技成果鉴定．“纳米碳管薄膜新工艺技术研究”项目是在纳米技术这一重大技术领域的背景下，对碳纳米管薄膜的生长和纯化工艺进行的深入研究，研制出了利用催化热解法生长和纯化碳纳米管薄膜及利用低压化学气象沉积法生长并优化碳纳米管薄膜的新工艺，为碳纳米管在多种领域的应用提供了技术手段，具有广阔的应用前景，达到世界领先水平．“纳米碳管薄膜新工艺技术研究”项目通过教育组织的科技成果鉴定     

高压大功率碳化硅电力电子器件研制进展

 碳化硅电力电子器件已经成为国内外研究和产业化热点，在一些应用领域正在逐步取代硅基电力电子器件。概述了碳化硅材料和器件的特性，即具有高工作电压、高效率、高工作温度等优势。综述了国际上碳化硅电力电子器件技术的发展现状，其中中低压器件发展已逐渐成熟，高击穿电压器件研究成果展现出由碳化硅材料特性预测的性能优势。展示了宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室在该领域取得的最新技术进展，建立了600~3300 V碳化硅肖特基二极管和MOSFET产品技术，研制出国际先进水平的高压碳化硅MOS-FET和IGBT。