基于碳納米管的碳基納米電子器件研究
目前碳基納米電子器件所引用的碳基納米材料主要為碳納米管。
本文就将以碳納米管為研究對象分析其結構與電學性質，并在此基礎上介紹基于碳納米管的電子器件應用前景。
将碳納米管視為由石墨卷曲而成的封閉管，其結構可用螺旋矢量Ch和螺旋角θ來表征。
如圖1中所示，圖中給出了由碳原子所組成的正六角網格平面，其中陰影部分為用于卷曲碳納米管的區域，a和b為基矢，O為原點，OX方向為參考軸，螺旋矢量Ch（即圖中向量OA）與參考軸的夾角為螺旋角θ。
其中Ch可表示為Ch=na+mb。
是以，具有螺旋矢量Ch的碳納米管也就可以用一組整數（n,m）表示，稱為碳納米管的指數。
對于碳納米管（n,m）來說，如果n和m滿足下式：n-m=3q(q為整數)，那麼就是金屬型，否則為半導體型。是以，在統計上,碳納米管有1/3是金屬型的，另外2/3是半導體型的。
按照結構，碳納米管被分為單壁碳納米管和多辟碳納米管兩類。實驗發現在室溫下多壁碳納米管的電導為量子化的，并且電導數值呈現為整數倍電導機關G0=2e2/h≈(12.9kΩ)-1。
而對于單壁碳納米管，實驗發現金屬型的具有有限的電導,并且電導的數值獨立于加在碳納米管上的栅壓；而半導體型的表現為p型,即當施加的栅壓為負時導電,栅壓為正時絕緣。
由此，基于這樣的結構和幾何特點所産生的電學性質，使得碳納米管可應用于大規模內建電路、超導線材、半導體器件等等電子工業領域。
下面以碳納米管在微納電子器件中的應用前景作進一步闡述。
1.以碳納米管為基礎場發射器
相比于傳統氧化物發射器。碳納米管場發射器具有高發射電流、低閥值電壓、大發射電流密度和長壽命等優點。
近年來，研究者對碳納米管場發射器進行了大量的實驗研究發現，将鍍金屬、碳化物或氮化物的碳納米管作為場發射器的點電子源，能有效改善碳納米管場發射器的發射性能。
例如，将BN薄膜的碳納米管作為場發射器的點電子源可顯現出獨特的效果。此原理為鍍BN膜後碳納米管場發射器的有效隧道勢壘高度被下降，由此降低了啟動電場。
實驗發現鍍3nm厚BN膜後碳納米管場發射器的啟動電場從1.2x10-2V/μm降至0.82x10-2V/μm。
諸如此類的實驗資料可以論證，鍍金屬、碳化物或氮化物的碳納米管作為場發射器的點電子源，有效改善了碳納米管場發射器的發射性能。
2.以碳納米管為基礎傳感器
碳納米管有較大的比表面積，且其表面有許多懸挂鍵對氣體有良好的吸附能力，已成為傳感器件的關鍵部分。
基于其納米級效應和表面電子學特性，對傳統玻碳、石墨、金等電極進行表面修飾，将有效提高原有基底電極的性能，且工藝容易且友善操作。
例如，碳納米管在室溫下能夠非常靈敏地檢測少量的氣體分子，如氧氣、氮氣、二氧化氮、一氧化碳等，可據此優點制作出相應的碳納米傳感器，用于識别和判斷環境中的氣體類型、濃度。
在2002年4月出版的《IEEE SENSORS JOURNAL》中就有一則報道，Keat Ghee Ong等人研制出無線被動碳納米管氣體傳感器。該傳感器由沉積在平面電感電容共振電路上的多壁碳納米管-二氧化矽複合層組成，可用于檢測二氧化碳、氧氣和氨等。
此外，碳基納米材料具有優異的電化學活性，對某些物質的電化學行為有很好的催化作用。加之，碳基納米材料粒徑小，适應性強，是以，還可以有效促進其在醫療健康監測、食品安全檢測等方面的應用。
綜上所述，無論從理論還是從應用的角度考慮，碳納米管都是一種具有獨特而優異特性的新型功能材料。
尤其是如上文所論證的電子學理論模型預測碳納米管可以表現為理想的一維量子線，呈半導體或金屬導電的特性。
至今，碳納米管奇特的電學性質在基礎理論和技術應用方面都正在被更深入的研究。
而随着碳納米管在納米電子學方面的應用和發展，未來可以達到的器件密度将比傳統的半導體技術能夠達到的要高得多，更多的應用産品也将得到進一步的開發和完善。
參考文獻：
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