基于碳纳米管的碳基纳米电子器件研究
目前碳基纳米电子器件所引用的碳基纳米材料主要为碳纳米管。
本文就将以碳纳米管为研究对象分析其结构与电学性质，并在此基础上介绍基于碳纳米管的电子器件应用前景。
将碳纳米管视为由石墨卷曲而成的封闭管，其结构可用螺旋矢量Ch和螺旋角θ来表征。
如图1中所示，图中给出了由碳原子所组成的正六角网格平面，其中阴影部分为用于卷曲碳纳米管的区域，a和b为基矢，O为原点，OX方向为参考轴，螺旋矢量Ch（即图中向量OA）与参考轴的夹角为螺旋角θ。
其中Ch可表示为Ch=na+mb。
因此，具有螺旋矢量Ch的碳纳米管也就可以用一组整数（n,m）表示，称为碳纳米管的指数。
对于碳纳米管（n,m）来说，如果n和m满足下式：n-m=3q(q为整数)，那么就是金属型，否则为半导体型。因此，在统计上,碳纳米管有1/3是金属型的，另外2/3是半导体型的。
按照结构，碳纳米管被分为单壁碳纳米管和多辟碳纳米管两类。实验发现在室温下多壁碳纳米管的电导为量子化的，并且电导数值呈现为整数倍电导单位G0=2e2/h≈(12.9kΩ)-1。
而对于单壁碳纳米管，实验发现金属型的具有有限的电导,并且电导的数值独立于加在碳纳米管上的栅压；而半导体型的表现为p型,即当施加的栅压为负时导电,栅压为正时绝缘。
由此，基于这样的结构和几何特点所产生的电学性质，使得碳纳米管可应用于大规模集成电路、超导线材、半导体器件等等电子工业领域。
下面以碳纳米管在微纳电子器件中的应用前景作进一步阐述。
1.以碳纳米管为基础场发射器
相比于传统氧化物发射器。碳纳米管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，研究者对碳纳米管场发射器进行了大量的实验研究发现，将镀金属、碳化物或氮化物的碳纳米管作为场发射器的点电子源，能有效改善碳纳米管场发射器的发射性能。
例如，将BN薄膜的碳纳米管作为场发射器的点电子源可显现出独特的效果。此原理为镀BN膜后碳纳米管场发射器的有效隧道势垒高度被下降，由此降低了启动电场。
实验发现镀3nm厚BN膜后碳纳米管场发射器的启动电场从1.2x10-2V/μm降至0.82x10-2V/μm。
诸如此类的实验数据可以论证，镀金属、碳化物或氮化物的碳纳米管作为场发射器的点电子源，有效改善了碳纳米管场发射器的发射性能。
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。
基于其纳米级效应和表面电子学特性，对传统玻碳、石墨、金等电极进行表面修饰，将有效提高原有基底电极的性能，且工艺容易且方便操作。
例如，碳纳米管在室温下能够非常灵敏地检测少量的气体分子，如氧气、氮气、二氧化氮、一氧化碳等，可据此优点制作出相应的碳纳米传感器，用于识别和判断环境中的气体类型、浓度。
在2002年4月出版的《IEEE SENSORS JOURNAL》中就有一则报道，Keat Ghee Ong等人研制出无线被动碳纳米管气体传感器。该传感器由沉积在平面电感电容共振电路上的多壁碳纳米管-二氧化硅复合层组成，可用于检测二氧化碳、氧气和氨等。
此外，碳基纳米材料具有优异的电化学活性，对某些物质的电化学行为有很好的催化作用。加之，碳基纳米材料粒径小，适应性强，因此，还可以有效促进其在医疗健康监测、食品安全检测等方面的应用。
综上所述，无论从理论还是从应用的角度考虑，碳纳米管都是一种具有独特而优异特性的新型功能材料。
尤其是如上文所论证的电子学理论模型预测碳纳米管可以表现为理想的一维量子线，呈半导体或金属导电的特性。
至今，碳纳米管奇特的电学性质在基础理论和技术应用方面都正在被更深入的研究。
而随着碳纳米管在纳米电子学方面的应用和发展，未来可以达到的器件密度将比传统的半导体技术能够达到的要高得多，更多的应用产品也将得到进一步的开发和完善。
参考文献：
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