碳纳米管在气敏传感器中的应用及其发展趋势

碳纳米管具有较大的比表面积,对气体有良好的吸附能力,在气敏传感器中有巨大的应用潜力。文章从碳纳米管的结构对其进行分类,重点对碳纳米管在气敏传感器中的应用进行了评述,并对碳纳米管在不同衬底上制备的气敏传感器进行描述,总结了碳纳米管气敏传感器的发展现状,最后概况了碳纳米管气敏传感器的发展趋势。     

不同手性单壁碳纳米管分离及其场效应晶体管性能研究

高纯度的单手性单壁碳纳米管对于下一代碳基电子器件的发展具有重要意义。利用聚[(9,9-二辛基芴-2,7-二基)-共-联吡啶](PFO-BPy)、聚(9,9－二辛基芴－2,7－二基)(PFO)和聚(9,9－二辛基芴－共苯并噻二唑)(PFO-BT)三种聚合物在有机相中分别分选出(6,5),(7,5)和(10,5)三种手性单壁碳纳米管,具有较高纯度以及浓度,并去除了超过99%的残留分散剂。使用上述溶液沉积获得高均匀性和高密度的碳纳米管薄膜,以此作为器件沟道材料,制备了手性单壁碳纳米管场效应晶体管阵列。结果显示,大直径的(10,5)手性碳纳米管晶体管器件具有较好的电学性能,其迁移率最高达16cm²·V-1·s-1,开关比达10⁷。     

碳纳米管FET的研究进展

对碳纳米管场效应晶体管(CNTFET)的器件性能进行了讨论,并与相应的Si器件进行了比较,结果表明CNTFET对迄今传统器件具有非常竞争力;阐述了利用CNT器件制作的逻辑门电路,显示了CNTFET的集成潜力;最后指出CNTFET面临的挑战是严峻的。     

集成化离子敏场效应传感器的研究进展

在介绍离子敏场效应晶体管（ISFET）传感器的应用和基本工作原理的基础上,阐述了集成化ISFET传感器的研究现状,包括ISFET敏感膜及其制造工艺与CMOS兼容性研究、集成化读出电路、多传感器集成等方面。展望了ISFET传感器的研究趋势,认为在以下方面值得探索和研究：敏感膜是把化学变量转换为电学变量的关键;高性能读出电路的研究;集ISFET、读出电路及后端信号处理电路于一体的低功耗ISFET传感器的系统集成;多功能、智能化的多传感器集成;研究集微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源等于一体的微机电系统（MEMS）;ISFET微传感系统的数字化集成等。     

碳纳米管聚苯胺薄膜SAWSO2传感器的实验研究

以128°Y-LiNbO3晶体上实现的双声路声表面波(SAW)器件为载体,在器件的测量声路上制作了对SO2气体具有敏感作用的碳纳米管聚苯胺薄膜,提出了一种基于碳纳米管聚苯胺薄膜的SAW SO2气体传感器.该传感器中的双声路结构消除了因外界测量条件改变引起的测量误差,提高了传感器的可靠性和准确性.利用原位法制备的碳纳米管聚苯胺增加了SO2气体的吸附面积,提高了传感器的灵敏度.实验结果表明,基于碳纳米管聚苯胺薄膜的SAW SO2气体传感器在测量范围内对各种浓度的SO2气体具有好的响应特性;当输入体积分数为1×10-6时,传感器的响应灵敏度约为8.3 kHz,比单一聚苯胺薄膜高1.8 kHz.此外,该传感器也具有更好的线性特性.     

集成化离子敏场效应传感器的研究进展

在介绍离子敏场效应晶体管(ISFET)传感器的应用和基本工作原理的基础上,阐述了集成化ISFET传感器的研究现状,包括ISFET敏感膜及其制造工艺与CMOS兼容性研究、集成化读出电路、多传感器集成等方面。展望了ISFET传感器的研究趋势,认为在以下方面值得探索和研究:敏感膜是把化学变量转换为电学变量的关键;高性能读出电路的研究;集ISFET、读出电路及后端信号处理电路于一体的低功耗ISFET传感器的系统集成;多功能、智能化的多传感器集成;研究集微传感器、微执行器、信号处理和控制电路、接口电路、通信系统以及电源等于一体的微机电系统(MEMS);ISFET微传感系统的数字化集成等。     

碳纳米管场效应晶体管电子输运特性的研究

由于硅器件尺寸不断缩小至纳米尺度,人们因此对纳米尺度器件开展了理论与结构方面的广泛而深入的研究,其中最重要的纳米尺度器件是基于碳纳米管的电场效应器件并被称为碳纳米管场效应晶体管(CNTFET).本文分析了碳纳米管场效应晶体管沟道电子的传输特性,并给出了用器件端子参数描述的器件I-V特性方程表达式,计算了器件的I-V特性曲线并把结果与纳米器件专用分析软件nanoMOS-2.0给出的结果作了比较,发现本文模型的计算结果均大于nanoMOS-2.0给出的结果,表明本文模型尚需进一步的深入分析和优化.     

单壁碳纳米管场效应晶体管的制备工艺研究

综述了碳纳米管场效应晶体管（CNTFET）的主要结构和导电沟道的制备工艺,如AFM探针操控、CVD原位生长、交流介电泳和L-B大面积操控排布等方法。在对CNTFET的这些结构和制备工艺进行详细分析的基础上,着重指出目前CNTFET导电沟道制备中存在的诸如金属性单壁碳纳米管（SWCNT）的烧除、接触电阻大、滞后现象以及P型CNTFET转化等问题,并针对这些问题提出了具体可行的解决方案。     

碳纳米管在气敏传感器应用中的研究进展北大核心

以具有大的表面积及特殊的中空结构的碳纳米管（CNT）作为气敏传感器敏感层材料为基础,介绍了CNT在开发不同类型气敏传感器技术方面的最新进展。综述了CNT及以贵金属、金属氧化物、聚合物改性的CNT作为气敏传感器材料的研究现状,并以气敏传感器的灵敏度和响应速度为标准,对比了CNT与三种CNT复合材料作为气敏传感器敏感层的优缺点。总结了每种传感器的设计方法、制作工艺和传感机理,提出了CNT气敏传感器当前面临的技术挑战,并对以后CNT作为气敏传感器材料的发展进行展望。     

单壁碳纳米管阵列场效应特性的研究

单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotube,SWCNT)有许多异常的电特性,要完全实现其在实际电子系统中的潜在应用价值,需要在器件与电路的结合上有不断创新的方法。由于SWCNT在电子学上分为金属型和半导体型两大类,其中每一大类根据手性的不同在电特性上又各有差异,再加上要合成或合成后分离出单一手性的SWCNT,目前的技术还存在相当大的难度。结合化学气相沉积中的控制生长、控制转移排列整齐有序的SWC-NT阵列与微加工工艺等方法,将SWCNT阵列作为一个器件单元来进行测试,测试结果显示了一定的场效应特性。     

High-Purity Monochiral Carbon Nanotubes with a 1.2 nm Diameter for High-Performance Field-Effect Transistors

Monochiral single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are promising materials with potential applications in 3D integrated circuits and optoelectronic hybrid circuits. However, the purity and device performance of monochiral SWCNTs are still far lower than expected. Here, the authors demonstrate that specific monochiral SWCNTs can be wrapped by conjugated polymers containing pyridine units, and the supramolecular assemblies show surprising suspension stability even after high-intensity ultracentrifugation. Additionally, two novel methods are developed, namely, enhanced ultracentrifugation (E-UCG) and stepwise extraction processing (STEP), which successfully achieve isolation of (10,8) and (12,5) SWCNTs with respective diameters of 1.24 and 1.2 nm at high monochiral purity (92.3% and 95.6%). Their S₁₁ absorption and fluorescence emission peaks are both at ≈1.5 µm (optical telecommunications C-band). Both micro- and nanoscale field-effect transistor (FET) devices can be fabricated from the as-isolated (10,8) SWCNTs, and these FETs exhibit excellent electrical performance and a high semiconducting purity of up to 99.94%.     

Charge Transport in High-Mobility Field-Effect Transistors Based on Inkjet Printed Random Networks of Polymer Wrapped Single-Walled Carbon Nanotubes

Printed random networks of polymer-wrapped multi-chiral semiconducting carbon nanotubes (s-SWCNTs) are an opportunity for mass-manufacturable, high-performance large-area electronics. To meet this goal, a deeper understanding of charge-transport mechanisms in such mixed networks is crucial. Here, charge transport in field-effect transistors based on inkjet-printed s-SWCNTs networks is investigated, obtaining direct evidence for the phases probed by charge in the accumulated channel, which is critical information to rationalize the different transport properties obtained for different printing conditions. In particular, when the fraction of nanotubes with smaller bandgaps is efficiently interconnected, the sparse network provides efficient charge percolation for band-like transport, with a charge mobility as high as 20.2 cm² V⁻¹ s⁻¹. However, when the charges are forced by a less efficient morphology, to populate also higher bandgap nanotubes and and/or the wrapping polymer, thermally activated transport takes place and mobility drops. As a result, a trade-off between network density and charge transport properties is identified for device current optimization, in both p- and n-type regimes. These findings shed light on the fundamental aspects related to charge transport in printed s-SWCNT mixed networks and contribute to devise appropriate strategies for the formulation of inks and processes towards cost-effective mass production schemes of high-performance large-area electronics.     

多壁碳纳米管流体速度传感器的实验研究

理论与实验研究发现碳纳米管在流体中存在一种电子拖曳现象，据此原理进行了多壁碳纳米管流体速度传感器的实验研究。实验中所用的碳纳米管是用热灯丝化学气相沉积法制备的。实验结果表明流动液体在多壁碳纳米管中诱导出的电流随流体速度的增加而增加，并与液体中离子浓度和温度密切相关。在室温下，当流体速度从0增加到10^-1m／s时，电流从0增加到51μA。碳纳米管中这种效应可作为一种新型的流体速度传感器。并对所得的结果进行了讨论。     

纳米碳管的STM研究

本文应用扫描隧道显微镜对孤光放电方法得到的纳米碳管进行了观察。孤光放电法所产物的纳米碳管以直线型为主，并且多以束状存在。碳管束直径约２０ｎｍ，而单要碳管的直径大多在２ｎｍ到５ｎｍ之间。观察到单层碳秋的原子像，其表明为石墨网络的六角结构。纳米碳管的原子像及单极碳管表面均未发现明显缺陷存在，这可能是它具有很高强度质量比的主要原理之一。     

Toluene Sensing Properties of P4VP/Multi-Walled Carbon Nanotubes Multi-Layer Film Sensors

Poly4-vinylphenol (P4VP)/multi-wall carbon nanotubes (MWNTs) multi-layer sensitive films were deposited on interdigitated electrodes by airbrush technology to detect toluene vapor at room temperature. The surface and section morphologies of the multi-layer films were observed by a scanning electron microscope (SEM). It is found that the resistance of the sensor increases when it is exposed to toluene vapor and the response has a good linearity with the concentration of toluene. The results show that the P4VP/MWNTs three-layer film sensors have better sensing properties compared with the two-layer film sensors. The related sensing mechanism is studied in detail.     

20伏高电压型碳纳米管超级电容器的研制

通过催化裂解法制备了碳纳米管并进一步制备了碳纳米管膜片式电极.基于该种材料的超级电容器电极比容量达到42F/g并表现出良好的大电流放电特性.本文采用多种研究方法对基于该种材料的双电层电容器的电化学特性进行了详细的研究.本文还开发了全新的超级电容器组装工艺,采用该工艺组装的碳纳米管超级电容器工作电压可以达到20V并具有良好的容量特性和阻抗特性.     

Ionotronics Based on Horizontally Aligned Carbon Nanotubes

Controlled ion transport through ion channels of cell membranes regulates signal transduction processes in biological systems and has also inspired the thriving development of ionic electronics (ionotronics or iontronics) and biocomputing. However, for constructing highly integrated ionic electronic circuits, the integration of natural membrane‐spanning ion channel proteins or artificial nanomembrane‐based ionic diodes into planar chips is still challenging due to the vertically arranged architecture of conventional nanomembrane‐based artificial ionic diodes. Here, a new design of ionic diode is reported, which allows chip‐scale integration of ionotronics, based on horizontally aligned nanochannels made from multiwalled carbon nanotubes (MWCNTs). The rectification of ion transport through the MWCNT nanochannels is enabled by decoration of oppositely charged polyelectrolytes on the channel entrances. Advanced ionic electronic circuits including ionic logic gates, ionic current rectifiers, and ionic bipolar junction transistors (IBJT) are demonstrated on planar nanofluidic chips by stacking a series of ionic diodes fabricated from the same bundles of MWCNTs. The horizontal arrangement and facile chip‐scale fabrication of the MWCNT ionic diodes may enable new designs of complex but monolithic ionotronic systems. The MWCNT ionic diode may also prove to be an excellent platform for investigation of electrokinetic ion transport in 1D carbon materials.     

基于Pd/SWNT/Al结构的场效应晶体管的研究

碳纳米管因具有良好的物理机械性能而得到广泛的研究,其最重要的应用之一是构建场效应晶体管(FET).文章提出并研究了一种非对称接触的单壁碳纳米管场效应晶体管(SWNT-FET),并对其电学特性进行了表征.在该器件中,SWNT被作为FET的沟道,两种不同功函数的金属被用来与SWNT形成肖特基接触;SWNT一端与低功函数金属Al形成源极,另一端与高功函数金属Pd形成漏极.该类器件可应用于下一代纳米集成电路中.     

碳纳米管的场发射特性研究

主要探讨碳纳米管场发射特性的理论,希望能将碳纳米管所拥有的绝佳场发射结果应用在场发射显示器与其他电子元件上。本文首先对碳纳米管的场发射特性进行了理论分析与应用价值的讨论,由分析可以看出,碳纳米管的场发射特性是会受到彼此间屏蔽效应的影响的。最后,本文分析归纳出与碳纳米管场发射特性相关的各种因素,这对日后研究碳纳米管在场发射显示器上的应用会有不错的帮助。