碳纳米管在微纳电子器件中的应用与研究

张庆玲 李运琴

（1. 江苏中建工程设计研究院有限公司河南分公司，河南 郑州450007；2. 国家能源大规模物理储能技术（毕节）研发中心，贵州 毕节551700）

碳纳米管是日本电镜专家Iijima于20世纪末发现，可将其看作单层或多层石墨片围绕中心轴卷曲而成的无缝管状材料。碳纳米管的碳原子之间形成SP2 杂化，以碳-碳σ 键相连成管状，碳原子上存在未成对的p 电子位于垂直石墨片层的π 轨道上，共轭效应显著，故其具有独特的电学性质。碳纳米管主要有三种不同的卷曲方式，扶手型、锯齿型和螺旋型管材料，表现出不同的金属性和半导体性质。而且由于SP2杂化结构对声子的传导作用，使管轴方向具备优良的传热性能。因为碳纳米管在机、热、电方面具备优异的性能，使之日益受到广大研究者的青睐。近年来，将碳纳米管应用于微纳电子器件中的研究逐渐发展成为一种主流，应用前景广阔。

1 碳纳米管的制备方式

碳纳米管可通过电弧法、化学汽相沉积法、激光蒸发法、气体燃烧法、辉光放电法及催化剂高温热解法等方法进行制备，其中电弧法、化学汽相沉积法及激光蒸发法是主要的制备方法。

电弧法制备：在氮气氛围中，以粗石墨棒为阴极，细石墨棒为阳极，通过高电流形成电弧放电，放电过程中阳极的石墨棒被消耗，并在阴极上沉淀出碳纳米管产物。电弧法是最早应用于制备碳纳米管的方法，经过不断的改进，该方法已经相当成熟，被广泛应用于工业生产和实验基础研究。

化学汽相沉积法制备：以含有C元素的有机气体作为碳源，添加过渡金属催化剂，在600～1300℃内发生催化裂解，合成碳纳米管。化学汽相沉积法是目前最常用的制备方法，可分为基体法、浮游法和喷淋法等。但是通过化学汽相沉积法制备的碳纳米管石墨化程度很低且缺陷较多，所以必须进行后处理来改善碳纳米管的结构。

激光蒸发法制备：将一根技术催化剂/石墨混合的材料置于石英管中，升温至1473K，引入惰性气体并将激光束聚焦于混合材料上，生成的气态碳经过催化作用合成碳纳米管。该方法因为受激光强度、气体流速和炉内压强等多因素的影响，重复性差。

2 碳纳米管在微纳电子器件中的应用

近年来，碳纳米管电子学的研究在材料、器件和电路等方面取得了巨大发展。碳纳米管以其极高的热导率、独特的一维输运结构，为微纳电子器件提供了一个重要途径。本文总结了CNT在场发射器、传感器和晶体管中的应用。

2.1 以碳纳米管为基础场发射器

相比于传统氧化物发射器。CNT 场发射器具有高发射电流、低阀值电压、大发射电流密度和长寿命等优点。近年来，研究者对CNT 场发射器进行了大量的实验研究究发现，将镀金属、碳化物或氮化物的CNT 作为场发射器的点电子源，能有效改善CNT 场发射器的发射性能。目前技术上还存在一些技术问题，场发射器件属于真空微电子器件，需要在较高的真空环境下工作，由于各种材料在工作过程中将放出相当数量的气体，严重影响了场发射性能。

2.2 以碳纳米管为基础传感器

碳纳米管有较大的比表面积，且其表面有许多悬挂键对气体有良好的吸附能力，已成为传感器件的关键部分。基于其纳米尺寸效应和表面电子等多种原因，CNT 修饰在传统的玻碳、石墨、金等电极表面将有效改善原基底电极的性能，并且该工艺简单易操作。碳纳米管修饰电极，对传感器响应电流、响应时间和检测线性范围有明显的影响。研究成果对碳纳米管在环境监测、生物医药、国防军事等领域的应用具有巨大的价值。进一步改善碳纳米管修饰电极提高传感器各项性能是一个比较重要的问题。

2.3 以碳纳米管为基础的晶体管

传统的场效应晶体管的沟道是单晶硅，电子器件中所用的硅晶体管正达到一个临界点，无法进行有效扩展以推动电子学的进步。而碳纳米管被认为是最具有潜力替代硅作为晶体管道沟的纳米材料之一。2019 年《自然》杂志中美国麻省理工学院团队利用碳纳米管晶体管制造出16位微处理器，并生成这样一条信息。这表示用碳纳米管取代硅晶体管是可行的。目前碳纳米管已经表现出优异的力学和电学性能，但其自身的缺陷和可变性，限制了其在大规模系统中的应用。

3 结语

随着科技进步对器件性能性能更高的要求，低能耗、低成本、高灵敏度等性能的电子器件将是研究者的共同目标。以碳纳米管为基础的电子器件，其作为下一代高性能器件研究展示了巨大的应用前景和发展空间。但当前碳纳米管电子器件的批量制造与产业化还面临许多的挑战，仍需国内外研究者的共同努力。