[发明专利]一种碳基纳米管同轴异质结及其模板法组装工艺

说明书

技术领域：

本发明涉及一维纳米材料领域，特别是提供了一种碳基纳米管同轴异质结及其模板法组装工艺。

背景技术：

电子集成技术的实质是在一定空间内组装出更多的电子元件，特别是晶体二极管等，而传统的硅晶体管无论在尺寸上还是在性能上已经越来越难以满足微电子技术未来发展的要求，因此亟需找到新的半导体材料以取代硅半导体在晶体管组装技术中的关键地位，其中最具研究价值和发展潜力的无疑就是以碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)为代表的一维纳米材料。

异质结是指两种不同的半导体相接触所形成的界面区域，按照两种材料的导电类型不同，异质结可分为同型异质结(p-p结或n-n结)和异型异质(p-n或n-p)结，多层异质结称为异质结构。通常形成异质结的条件是：两种半导体有相似的晶体结构、相近的原子间距和热膨胀系数。利用界面合金、外延生长、真空淀积等技术，都可以制造异质结。异质结常具有两种半导体，各自的pn结都不能达到的优良的光电特性，使它适宜于制作超高速开关器件、太阳能电池以及半导体激光器等。

作为由石墨烯片卷积而成的典型一维纳米结构，碳纳米管具有独特的电子输运性能、良好的热稳定性和化学稳定性以及优异的机械力学性能，适合用于电子元器件组装。更为重要的是，由单层石墨烯片所组成的单壁碳纳米管可根据结构参数(如直径或螺旋角)的不同而呈现出金属性或半导体性，如能在同一根纳米管上实现两个不同性能碳纳米管片段的相互连接，即可构成一个完整的纳米管异质结，成为理想的分子尺度电子装置单元乃至组装出纳米半导体器件和大规模集成电路。但以目前的技术水平，尚无法大规模合成或组装此类异质结构，在工艺的可重复性和实用性等方面存在诸多技术难点需以克服。

另一种更实用的技术思路已用于控制碳纳米管的导电特性，其原理是在石墨烯片结构中引入N或B等外来原子，从而得到p-或n-半导体型碳基纳米管。这一方法所合成碳纳米管的性能调控性较强，且不受碳管管径、螺旋角、壁厚等结构参数的限制，因此更有利于碳基纳米的结构-性能控制。但如何将不同导电性能的纳米管组装为异质结，并保证异质结结构和性能的一致性，目前尚无满意的工艺解决方案。日本东北大学T.Kyotani等以阳极氧化铝(Anodic Aluminum Oxide，AAO)多孔结构为模板、通过热解碳化学气相沉积工艺，成功实现了纯碳/N掺杂碳纳米管、N掺杂及B掺杂碳纳米管等多种套筒式层状复合结构的直接合成。不过所获得的纳米结构为层状复合、同轴嵌套，对后续的半导体特性表征及晶体管组装等工作造成明显困难。

发明内容：

针对上述技术瓶颈或难点问题，本发明的目的在于提供一种碳基纳米管同轴异质结及其模板法组装工艺，用于实现一种线性联接、几何形貌均一可调、工艺重复性好的纳米异质结的控制合成。

本发明的技术方案是：

一种碳基纳米管同轴异质结，由不同成分碳基纳米管片段在其长度方向上以同轴无缝对接而成，同轴异质结组成部分为碳基纳米管片段，可为纯碳纳米管、N-掺杂碳纳米管或B-掺杂碳纳米管等；碳基纳米管片段的外径相同，化学成分有差异，异质结外径可在10nm-100nm范围调整控制，长度、壁厚可根据需要调整。

所述的碳基纳米管同轴异质结长度在20nm-1mm范围调整控制，壁厚在2.5nm-40nm范围调整控制。

所述不同成分碳基纳米管为纯碳纳米管或经外来原子掺杂的碳基纳米管，外来原子为氮(N)或硼(B)等，外来原子掺入量为0.5-10at％(优选为2-6at％)。

上述碳基纳米管同轴异质结的模板法组装工艺，以阳极氧化铝为模板，结合化学气相沉积、等离子体处理等工艺，优选合适碳源，在阳极氧化铝长直模板上，经化学气相分解、沉积得到适当组分的碳基纳米管，经等离子体刻蚀处理后移除部分纳米管后，经更换反应源、二次化学气相沉积过程在同一氧化铝模板上形成新的碳基纳米管片段，从而实现不同成分碳基纳米管的同轴无缝对接，即同轴异质结。包括如下步骤：

①采用阳极氧化法控制形成特定结构的阳极氧化铝(AAO)模板；

所述阳极氧化铝(AAO)模板可以为：孔道呈“U”形，彼此平行，定向排列，开口大致位于同一平面，平均孔径10-100nm、深度20nm-1mm。

所述阳极氧化铝(AAO)模板可以为：孔道呈中空柱形，两端开口，彼此平行，定向排列，开口大致位于同一平面，平均孔径10-100nm、深度20nm-1mm。

②一步化学气相沉积工艺合成具有特定组成和结构的碳基纳米管-I；