介电泳定向组装全碳基半导体单壁碳纳米管通道及其在CMOS兼容逻辑电路中的应用

这篇研究展示了利用介电泳（DEP）技术定向组装半导体单壁碳纳米管（s-SWNT）通道的创新方法，通过优化电场参数（频率、电压、时间）实现纳米管密度与排列的精确调控，并结合空气击穿纯化去除金属性碳管（m-SWNT），构建全碳基电极-沟道结构的薄膜晶体管（TFT）。该技术突破了传统金属电极的界面失配问题，实现了与氧化物半导体（a-IGZO）的单片集成，为柔性电子和互补逻辑电路（CMOS）提供了低温、可扩展的解决方案。

　　

摘要

半导体单壁碳纳米管（s-SWNT）因其优异的载流子迁移率和机械柔性，成为高性能溶液加工电子器件的理想材料。然而，合成混合物中金属性碳管（m-SWNT）的存在严重限制了其在薄膜晶体管（TFT）中的应用。本研究提出了一种全碳基架构的s-SWNT TFT系统化制备方法，通过优化介电泳（DEP）参数（浓度、频率、时间、电压幅值）实现碳纳米管电极间沟道的定向排列与密度控制，并结合空气击穿纯化去除金属性通路，最终与氧化铟镓锌（a-IGZO）薄膜单片集成，展示了互补逻辑反相器的可行性。

1 引言

硅基电子器件的持续微缩面临物理与经济极限，而单壁碳纳米管（SWNT）因其高载流子迁移率和低温溶液加工兼容性成为替代材料。然而，合成产物中1/3的m-SWNT会导致器件漏电流升高。现有纯化技术（如聚合物分选、密度梯度离心）虽能提高s-SWNT纯度，但纳米管的可控排列仍是挑战。介电泳（DEP）通过交变电场下的克劳修斯-莫索提（Clausius-Mossotti）效应可实现纳米管定向组装。本研究首次采用SWNT作为源漏（S/D）电极，通过DEP构建全碳基TFT，其均质结构避免了金属-碳管界面失配，兼具低温加工和机械柔性优势。

2 结果与讨论

器件制备与表征：采用喷雾涂覆SWNT（Turball Ink）并通过光刻/O₂等离子体刻蚀形成电极，沟道s-SWNT（KH chemicals）通过DEP在100 kHz、5 V_p-p（场强≈1 V/μm）、20 s条件下定向排列。扫描电镜（SEM）显示稀释比例（5000:1）可优化纳米管密度（图2a-d），原子力显微镜（AFM）测得电极厚度≈100 nm（图1c）。理论分析表明，介电泳力（F_DEP）与克劳修斯-莫索提因子（F_CM）及纳米管长径比（Γ）相关，其表达式为：

F_DEP = 2πr²lε_mRe[F_CM]?E²

其中ε_m为介质介电常数，r和l分别为纳米管半径与长度。

电学性能优化：空气击穿纯化后，器件开关比（I_on/I_off）提升3个数量级至≈10⁴（图3a），输出曲线显示增强的电流饱和特性（图3b）。统计表明，沟道宽度（W=30-200 μm）增大可提高导通电流（I_on），而开关比保持>10³（图3c-d）。

异质集成：通过可移除SWNT电极技术，在同一基底上集成p型SWNT TFT与n型a-IGZO TFT（图4a），反相器在V_DD=10 V时增益达30（图4d），验证了与氧化物半导体工艺的兼容性。

3 结论

该工作通过DEP组装、全碳电极和空气击穿纯化，实现了高性能s-SWNT TFT的规模化制备，并成功与a-IGZO单片集成。未来需进一步优化SWNT-SWNT接触电阻，推动全碳电子系统发展。

4 实验方法

电学测试使用Agilent 4155B和Keithley 4200A参数分析仪，形貌表征采用Park XE-100 AFM和Hitachi S-4800 SEM。