单壁碳纳米管介电泳操控与纳电子器件装配

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题名	单壁碳纳米管介电泳操控与纳电子器件装配
作者	于海波
答辩日期	2012-05-21
文献子类	博士
授予单位	中国科学院沈阳自动化研究所
授予地点	沈阳
导师	李文荣 ; 董再励
关键词	单壁碳纳米管介电泳耦合电势介电泳碳纳米管场效应晶体管
学位名称	博士
其他题名	Manipulation of SWCNTs Using Dielectrophoresis and Integration of Nanoelectronic Devices
学位专业	电子机械工程
英文摘要	碳纳米管（carbon nanotube, CNT）自发明以来，因其独特的纳米结构，优异力学特性、极高电导率与热导率等物理、化学特性，在纳米电子学、纳机电系统（NEMS）、传感器等诸多领域表现出了巨大的应用潜力，因而一直是纳米科学技术领域研究的热点。其中，单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotube, SWCNT）直径仅为几个埃米至几个纳米，长度通常在微米量级，依靠其电学性质可以被分为金属性、半导体性以及半金属性三种类型。然而其纳米尺度特性与电学多样性，使得单壁碳纳米管纳米器件装配与制造面临巨大挑战。本文以单壁碳纳米管纳米器件的制造为背景，围绕碳纳米管场效应晶体管（CNT-FET）这一基本纳米器件装配所涉及的相关科学问题，重点开展了基于介电泳机理的碳纳米管操控方法与传感器件实现等研究工作。主要内容包括：碳纳米管介电泳动力学；碳纳米管预处理与表征；碳纳米管介电泳操控与装配实验方法；碳纳米管场效应晶体管理论模型与传感器构建。主要工作如下：在介电泳操控方面，研究运用大长/径比椭球体等效的方法，推导了碳纳米管在非均匀电场中的极化模型；提出了具有独立栅极、局部耦合电极的芯片结构。对芯片结构进行了优化设计，分析了碳纳米管电学特性与所受介电泳力的关系。针对非介电泳力影响因素，研究了电热流与交流电渗流诱导的流体运动对单壁碳纳米管组装的影响。研究了介电泳实现单壁碳纳米管装配的实验方法和条件，进行了单壁碳纳米管介电泳装配实验验证。在单壁碳纳米管溶液制备与表征方面，针对单壁碳纳米管超声分散技术，研究了基于表面活性剂的非共价键修饰方法。开展了基于吸收光谱的单壁碳纳米管溶液的表征、评价方法研究，开展了超声-离心条件对分散的影响，单壁碳纳米管在溶液中的分散状态等研究。针对单壁碳纳米管材料的提纯与单分散制备，建立了碳纳米管离心动力学模型，进行了碳纳米管在离心力作用下的仿真分析与实验方法研究。上述研究工作，为碳纳米管材料的有效预处理提供了有意义的方法。在规模化碳纳米管装配技术方面，提出了基于PDMS微流控管道的介电泳装配方法，建立了自动化的介电泳实验平台。开展了具有介电泳批量化碳纳米管装配方法研究，实现了半导体性与金属性两种单壁碳纳米管在梳状交叉电极与指状电极结构上的有效装配。分析了交流电场信号频率、幅值以及装配时间对单壁碳纳米管装配的影响，并开展了相关装配结果测试实验研究。在碳纳米管场效应晶体管器件研究方面，分析了P-型、N-型与双极性碳纳米管场效应晶体管的形成机理。基于碳纳米管弹道输运假设数值模拟了碳纳米管手性、介电层厚度、栅极电压对电流输运特性的影响。分别利用钨与钯电极建立了P-型碳纳米管场效应晶体管，并首次利用钨电极实现了P-型与N-型的转化。分析了退火、高真空以及原子力显微镜纳米焊接，对碳纳米管场效应晶体管电学特性的影响。进一步研究了金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管纳米器件的温度特性。本文的研究工作对碳纳米管基纳米器件的材料制备、介电泳装配，碳纳米管场效应晶体管与传感器设计具有一定的理论参考与实验指导意义。
语种	中文
产权排序	1
公开日期	2012-07-27
页码	125页
分类号	TB383
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.sia.cn/handle/173321/9373]
专题	沈阳自动化研究所_机器人学研究室
推荐引用方式 GB/T 7714	于海波. 单壁碳纳米管介电泳操控与纳电子器件装配[D]. 沈阳. 中国科学院沈阳自动化研究所. 2012.