碳纳米管器件的无转移预图形化石墨烯/金属复合电极互连技术及相关问题研究

Electrode interconnection is a key technology for device integration. As Schottky barrier exists in the contact of metal and carbon nanotube, instead, graphene surfaces to be an ideal electrode material for the interconnection of carbon nanotube device. Here we propose a novel technique of using non-transfer pre-patterned graphene/metal hybrid electrode for covalent interconnection of carbon nanotube device. In view of interaction of metal atoms on the surfaces/interfaces with carbon nanotube and graphene, their nanoeffects of electron transferring in the interconnection of carbon nanostructure will be investigated. Through theoretical and experimental study on the microstructure and electrical property of the interconnected hybrid structure, the mechanism and characteristics of its electron transport will be revealed. The scope of the main work in this project includes: (1) Do first principle study of the electronic state and electron transferring behavior between metal and carbon atoms qualitatively and quantitatively, considering electron exchange correlation energy. (2) Investigate the processing of the covalent interconnection between carbon nanotubes pre-located by dielectrophoretic technique and graphene grown on prepatterned dielectrophoretic metal electrodes by CVD process, and the controlling of the inner interface and characteristics of the carbon nanotube-graphene/metal hybrid structure, so as to improve and decrease the structural defects in the hybrid structure. (3) Experimentally investigate the nanoeffects of electron transferring in the interconnected hybrid structure, and research on the electromigaration characteristics of pre-patterned graphene/metal hybrid electrode, in order to explore new interconnection method and technology for the integration of carbon nanotube devices.

互连是器件集成的关键技术之一。碳纳米管与金属接触存在肖特基势垒，石墨烯是理想的碳纳米管器件互连电极材料。本项目提出一种与碳纳米管形成共价连接的无转移的预图形化石墨烯/金属复合电极互连技术，针对互连形成的复合结构中石墨烯、碳纳米管与其表界面金属原子的相互作用，研究纳米电子转移效应，通过理论和实验研究复合结构的微观结构和电学性能，揭示其电荷输运的机理和规律。主要研究内容包括（1）基于第一性原理计算深入地研究石墨烯、碳纳米管与其表界面金属原子的电子结构状态，联系交换关联能对其间的电子转移效应进行定性和定量的分析。（2）研究预图形化金属基底上CVD生长的石墨烯与介电电泳预定位的碳纳米管的共价互连工艺，探索对互连复合结构的界面和特性的调控，改善和减少界面的结构缺陷。（3）对结构中的纳米电子转移效应进行实验研究，研究石墨烯/金属复合电极的电迁移特性，探索碳纳米管器件集成的互连新技术和新方法。

碳纳米管是后摩尔时代硅MOSFET的沟道替代材料之一，石墨烯是碳纳米管器件互连的理想电极材料之一。本项目提出一种与碳纳米管共价连接的无转移的预图形化石墨烯/金属复合电极互连技术，对互连异质结的微观结构、纳米电子转移效应及电学性能开展了理论和实验研究，并对其在隧穿场效应晶体管和气体传感器的应用进行了探索。.项目采用基于密度泛函理论和非平衡格林函数的第一性原理研究了碳纳米管-石墨烯共价异质结的电子输运特性，分析了石墨烯边界结构和铜原子吸附的影响。Zigzag和Armchair两种边界石墨烯的共价异质结都表现出弹道输运特性，其电子透射系数远高于相应的范德华结，结电流高1~3个量级；zigzag型石墨烯边界额外诱导出的局域态使其结电流比armchair型的高1个量级。铜和碳原子间的电子转移与其吸附位置和数量有关；在碳纳米管原子顶位吸附的单个铜原子使结界面肖特基势垒由0.2eV降至0.08eV，结电阻降低1~2个量级；9个铜原子吸附时变为欧姆接触。.采用紧束缚法计算了基于共价异质结的隧穿场效应晶体管（TFET）的转移和输出特性，发现Zigzag结TFET的开态饱和电流比常规碳纳米管TFET高1个量级，因为其源区与沟道间的zigzag型石墨烯边界局域态消除了隧穿势垒；对Armchair型结TFET，采用高介电常数的薄栅介质层可提升其开态饱和电流，长沟道可降低关态泄漏电流，漏极的低掺杂可降低双极性。.研究了预图形化铜/镍薄膜基底上CVD生长石墨烯与介电电泳预定位的碳纳米管的共价互连工艺，制备出了armchair型石墨烯边界的共价结。通过磷钼酸分子修饰共价结中的碳纳米管得到了一种性能优异的气体传感器，可实现室温下对NH3和NO2的ppm级灵敏度的低工作电压和低功耗的快速检测，并与相应的范德华结的气体传感特性进行了对比研究，结果显示磷钼酸分子对碳纳米管的修饰促进了其与气体分子之间的电子转移，使其气体传感特性得到提升。.本项目取得的碳纳米管-石墨烯共价异质结的研究成果为碳纳米管器件的设计、制备和应用提供了理论和实验基础，对促进碳基器件的集成与系统研发具有普遍意义和实用价值。