[發(fā)明專利]一種襯底上碳納米管水平陣列密度的快速光學(xué)表征方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201510061035.0
• 申請日: 2015-02-04
• 公開（公告）號: CN104697946A
• 公開（公告）日: 2015-06-10
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 劉開輝;唐靜怡;鄧時濱;康黎星;胡悅;張錦
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發(fā)明公開了一種襯底上碳納米管水平陣列密度的快速光學(xué)表征方法。該方法包括如下步驟：將單根碳納米管的光學(xué)吸收性質(zhì)推廣至宏觀材料中，將二維材料(如石墨烯)的光學(xué)表征方法引入碳納米管水平陣列領(lǐng)域，建立光學(xué)襯度與碳納米管水平陣列密度及不同類型碳納米管比例之間的定量公式，利用交叉偏振方法顯著提高碳納米管的光學(xué)信號(10?100倍)，實現(xiàn)所述高密度碳納米管水平陣列的光學(xué)表征。本發(fā)明提供的方法，克服了傳統(tǒng)表征方法耗時、操作復(fù)雜、易損傷樣品的缺點，實現(xiàn)了襯底上碳納米管密度和類型的快速、準確、無損傷的表征，可廣泛應(yīng)用于碳納米管的生長和測試實驗中，為優(yōu)化碳納米管生長方法提供必不可少的監(jiān)控和反饋措施。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種襯底上碳納米管水平陣列密度的快速光學(xué)表征方法。

背景技術(shù)

現(xiàn)代信息技術(shù)的心臟是集成電路芯片，而這些芯片的90％源于硅基互補型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)。據(jù)預(yù)測，2020年左右硅基CMOS技術(shù)將達到其物理極限。在不多的幾種候選材料中，碳納米管材料是唯一可以通過減小器件尺寸直至5nm節(jié)點而繼續(xù)提高系統(tǒng)整體性能的材料，是硅材料最有希望的替代材料。2012年，IBM華盛頓研究中心的科學(xué)家已經(jīng)利用碳納米管代替半導(dǎo)體硅，實現(xiàn)了9nm的碳納米管基場效應(yīng)晶體管的構(gòu)筑。同年，他們將一萬多個碳納米管打造的晶體管精確放置在了一個芯片內(nèi)，并且通過了測試。2013年，美國斯坦福大學(xué)的科研團隊采用碳納米管制造出世界上第一臺碳納米管原型計算機。目前對于碳納米管基場效應(yīng)晶體管而言，其碳納米管水平陣列的密度和半導(dǎo)體性的純度是制約性能的主要因素。2012年，IBM研究中心的科學(xué)家清晰的指出了碳納米管水平陣列的研究目標，到2020 年，碳納米管水平陣列的密度要達到125根每微米，同時其中金屬性碳納米管的含量要低于0.0001％。

顯然，高密度碳納米管水平陣列的控制生長是實現(xiàn)碳納米管基電子學(xué)器件應(yīng)用目標中的關(guān)鍵一環(huán)。近年來很多課題組在提高碳納米管水平陣列的密度做出了非常有意義的工作，能一定程度上提高密度，但是進展相當緩慢，密度離目標還很遠。在實現(xiàn)高密度陣列碳納米管生長上一個非常重要的制約因素就是缺乏高密度水平陣列碳納米管的快速、準確表征手段提供生長結(jié)果的實時反饋。因為對于碳納米管水平陣列的控制生長來說，只有表征清楚了生長出來的陣列的密度，才有可能考慮下一步的實驗條件的優(yōu)化；而現(xiàn)有的一些表征手段，包括掃描電子顯微鏡，透射電子顯微鏡，原子力顯微鏡，掃描隧道顯微鏡，均不能準確、快速地反映出高密度碳納米管水平陣列的密度。對于掃描電子顯微鏡來講，操作是比較簡便的，但是由于二次電子與碳納米管的相互作用，會形成碳納米管的電子影響區(qū)，大大降低了其對碳納米管的分辨率；對于原子力顯微鏡，操作繁瑣且十分依賴于針尖的狀態(tài)，成像速度較慢；對于掃描隧道顯微鏡，需要基底導(dǎo)電，而且操作難度較大；對于透射電子顯微鏡，則需要將樣品轉(zhuǎn)移至銅網(wǎng)上，轉(zhuǎn)移過程影響碳納米管質(zhì)量，而且難以保持陣列排列。綜上所述，發(fā)展一種簡單、快捷、準確的碳納米管密度的監(jiān)控方法對于高密度碳納米管水平陣列的研究具有十分重大的意義。

利用光學(xué)方法研究材料的性質(zhì)已經(jīng)有數(shù)百年的歷史，其基本原理是利用光和物質(zhì)相互作用而改變光的強度、相位等信息，通過分析改變后光的信息并結(jié)合理論便可以得到材料的性質(zhì)。光學(xué)表征以其操作簡單、實時成像、結(jié)果定量、對材料無損傷、可自動化實現(xiàn)等特點，成為一種廣泛而極為有效的表征材料性質(zhì)的實驗方法。一個例子是利用光學(xué)襯度方法對石墨烯的層數(shù)進行表征。在這方面前人做過許多理論和實驗上的研究工作，并且軟件計算的結(jié)果顯示出與實驗結(jié)果良好的一致性，并可以將此種方法廣泛應(yīng)用于其它二維納米材料領(lǐng)域。然而，碳納米管密度的光學(xué)表征方法目前技術(shù)上仍然存在巨大挑戰(zhàn)。其基本的困難在于：由于碳納米管結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)的復(fù)雜性，理論上尚無方法將碳納米管的密度和光學(xué)襯度直接聯(lián)系起來；同時單個碳納米管直徑在1nm量級，其光學(xué)作用截面非常小，光學(xué)信號非常微弱而難于清晰采集。本發(fā)明對碳納米管水平陣列的光學(xué)表征方法的探索，將彌補該領(lǐng)域的技術(shù)空白，為突破碳納米管電子學(xué)應(yīng)用的極限密度(125根/微米)提供關(guān)鍵性的技術(shù)支持。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是提供一種襯底上碳納米管水平陣列密度的快速光學(xué)表征方法。