專利名稱：基于碳納米管的太赫茲振蕩方法及太赫茲振蕩器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種太赫茲(THz)振蕩器的工作方法、器件結構及其制作方法，特別涉及一種利用碳納米管產生THz波的方法以及實現(xiàn)該方法的器件結構及其制作方法。本發(fā)明屬于半導體光電器件技術領域。
背景技術：
碳納米管是由碳原子組成的一種結構簡單的準一維材料，從幾何上看，它可以看作是由單層石墨卷曲而成的。自從碳納米管被發(fā)現(xiàn)以來[S. IijimhHelicalmicrotubules of graphite carbon, Nature 354，56 (1991)]，基于半導體碳納米管的電子學和光子學特性引起了人們的研究興趣。這主要是由于半導體型的碳納米管具有絕緣型和金屬型的碳納米管所不具備的獨特電子輸運性質。研究發(fā)現(xiàn)，半導體碳納米管的電子輸運特性對缺 陷[J. C. Charlier, Defects in carbonnanotubes，Acc. Chem. Res. 35，1063 (2002)]、 雜質[C. Zhang et al. , Impuritymediated absorption continuum in single-walled carbon nanotubes，Appl. Phys. Lett. 90，023106 (2007)]以及結構形變[J. Q. Lu et al.， Metal—to—Semiconductor Transition in Squashed Armchair Carbon Nanotubes， Phys. Rev. Lett. 90,156601 (2003).]等因素具有強烈的依賴作用。目前，理論和實驗上出現(xiàn)了許多關于半導體碳納米管電子學器件及其應用的研究。這些器件包括場效應晶體管[P· L McEuen et al.，Single-walled carbon nanotubeelectronics，IEEE Trans. Nanotechnol. 1,78(2002)]^ 電光器件[MisewichJ A et al. , Electrically induced optical emission from a carbon nanotubeFET，Science 300，783 (2003)]以及利用金屬-半導體轉換效應工作的電-機械傳感器[J. Wu et al.，Computational design of carbon nanotubeelectromechanical pressure sensors, Phys. Rev. B 69，153406 (2004)] 等。此外，碳納米管在隨機存儲和平板顯示等方面的應用技術也初步取得了突破。因此，半導體碳納米管在新型電子學器件和光子學器件等應用領域具有巨大的應用潛力和經(jīng)濟效
■、Λ
frff. ο最近，直流電場作用下半導體碳納米管的電子穩(wěn)態(tài)輸運特性得到了人們的廣泛關注。理論上，蒙特-卡洛模擬方法研究發(fā)現(xiàn)，電子漂移速度ud與外加電場E的關系中，電子漂移速度υ d隨著電場E的增加不斷增大，但是，當電場達到一個臨界值E。時，電子漂移速度達到一個極大值％，此后隨著電場的增大，電子漂移速度將變小，此時的電子漂移速度稱為負微分漂移速度(Negativedifferential drift velocity)。這就是通常所說的負微分漂移速度特性。半導體碳納米管中電子的漂移速度峰值可以達到5X 105m/ s[G. Pennington and N. Goldsman，Semiclassical transport and phonon scattering of elctrons insemiconducting carbon nanotubes，Phys. Rev. B 68，045426 (2003)； V.Perebeinos et al. ,Electron-phonon interaction and transport insemiconducting carbon nanotubes，Phys. Rev. Lett. 94，086802 (2005).]。此外，理論研究還發(fā)現(xiàn)，半導體碳納米管中電子的漂移速度在納米管的不同區(qū)域也發(fā)生變化，表現(xiàn)出依賴于偏壓的速度
3隨空間振蕩特性。這一振蕩現(xiàn)象是由于光學聲子發(fā)射導致的高散射率引起的[A. Akturk et al. ， Electron Transport andVelocity Oscillations in a Carbon Nanotube, IEEE Trans. Nanotechnol. 6,469 (2007) ] 0利用電子漂移速度隨碳納米管的長度發(fā)生振蕩從而引起電子濃度的振蕩這一特性，Akturk等[Akin Akturk et al. , Terahertz currentoscillations in single-walled zigzag carbon nanotubes,Phys. Rev. Lett. 98, 166803(2007)]提出了一種實現(xiàn)THz振蕩的方法。然而，本發(fā)明將提出另一種實現(xiàn)THz振蕩的方法，利用碳納米管的負微分速度特性產生THz電流振蕩，這種產生THz振蕩的原理與 Akturk等提出的方法具有本質不同。THz技術在未來的大容量數(shù)據(jù)傳輸和空間無線通信方面具有重要的應用潛力。目前THz技術發(fā)展緩慢的主要原因是由于缺乏有效的THz輻射源和探測器。如何實現(xiàn)小型并易于集成的固態(tài)THz振蕩源是當前研究的熱點。本發(fā)明提出了一種利用半導體碳納米管的負微分漂移速度特性實現(xiàn)電流振蕩的器件，其振蕩頻率在THz頻段，本發(fā)明還將給出實驗制作碳納米管THz振蕩器的關鍵技術和實現(xiàn)方法。目前，利用半導體碳納米管的負微分漂移速度特性產生THz電流振蕩的方法尚未見諸報道，同時，實驗上也未有相關器件的制作方法報道。因此，本發(fā)明在原理和器件制作方面都具有創(chuàng)新性。碳納米管THz振蕩器將在未來的大容量數(shù)據(jù)傳輸和空間通信方面產生重要的應用價值。

發(fā)明內容
本發(fā)明主要解決的技術問題在于提供一種基于碳納米管的太赫茲振蕩方法和實現(xiàn)該方法的太赫茲振蕩器及其制作方法。為了解決上述技術問題，本發(fā)明采用如下技術方案—種基于碳納米管的太赫茲振蕩方法，其特征在于在半導體碳納米管兩端施加直流偏壓，使該半導體碳納米管中的電子漂移速度位于負微分漂移速度區(qū)域，從而在該半導體碳納米管中產生隨時間周期性變化的振蕩電流。進一步地，可通過模擬所述半導體碳納米管中電子在直流電場下的輸運特性，計算出所述半導體碳納米管的電子漂移速度與外加電場的關系，從而找到所述電子漂移速度位于負微分漂移速度區(qū)域時對應于外加電場的直流偏壓范圍；然后在所述半導體碳納米管兩端施加位于該范圍的直流偏壓。一種基于上述方法的碳納米管太赫茲振蕩器，由芯片和與之連接的外圍電路組成；所述芯片包括半導體碳納米管和位于所述半導體碳納米管兩端的電極，所述半導體碳納米管與其兩端的電極形成歐姆接觸，所述芯片通過所述電極與外圍電路連接；所述外圍電路包括兩根同軸電纜線、直流電壓源以及高頻信號輸出模塊；所述兩根同軸電纜線通過高頻探針分別與所述電極接觸；所述直流電壓源與電感串聯(lián)，接在所述兩根同軸電纜線之間，用于向所述半導體碳納米管兩端施加直流偏壓；所述高頻信號輸出模塊與電容串聯(lián)，接在所述兩根同軸電纜線之間，用于輸出高頻信號。進一步地，所述芯片還包括襯底和位于襯底之上的絕緣層，所述半導體碳納米管和其兩端的電極位于所述絕緣層之上。進一步地，所述半導體碳納米管兩端的電極互相平行且與所述半導體碳納米管垂直。進一步地，所述電極采用金或鉬金制成。進一步地，所述電極上制備有引線，所述高頻探針通過弓丨線與所述電極接觸。進一步地，所述高頻信號輸出模塊為頻譜分析儀。一種上述碳納米管太赫茲振蕩器的制作方法，其特征在于所述碳納米管太赫茲振蕩器由芯片和與之連接的外圍電路組成，所述芯片的制作方法包括如下步驟(1)在Si襯底上淀積SiO2絕緣層，并處理其表面，使之平整光滑；(2)選取一根半導體碳納米管，利用原子力顯微鏡將其置于SiO2絕緣層上；(3)用聚焦離子束方法在所述半導體碳納米管兩端制備兩條電極，使兩個電極互相平行，且都垂直于所述半導體碳納米管，并與所述半導體碳納米管形成歐姆接觸； (4)在所述兩個電極上制作引線，并將所得結構進行封裝，使引線伸出。進一步地，所述半導體碳納米管采用單壁碳納米管。本發(fā)明提出的THz振蕩方法，是利用半導體碳納米管的負微分漂移速度特性實現(xiàn)電流振蕩的。半導體碳納米管在低溫(如T = 10K)和室溫下都表現(xiàn)出負微分漂移速度特性，并且在低溫下這種特性表現(xiàn)的更為顯著(V. Perebeinos etal.，Electron-phonon interaction and transport in semiconducting carbonnanotubes, Phys. Rev. Lett. 94, 086802 (2005) ) 0本發(fā)明通過在半導體碳納米管兩端施加直流偏壓，使該碳納米管在外加直流電場的作用下表現(xiàn)出負微分漂移速度特性，其中，半導體碳納米管的電子漂移速度位于負微分漂移速度區(qū)域。由于半導體碳納米管中電子濃度的摻雜不是非常均勻，當直流偏壓偏置在負微分漂移速度區(qū)域時，摻雜的微小變化迅速放大，也就是電子濃度的變化迅速增長，并且隨時間和空間變化，即形成了隨時間周期性變化的電場疇，電子濃度與電場強度之間滿足泊松方程，可以互相計算得到，所以可以將電場疇理解成電子濃度的變化。也就是說，當直流電壓偏置在負微分漂移速度區(qū)域時，半導體碳納米管中電子濃度的微小變化就能夠在器件中激發(fā)電場強度的波動，這種波動能夠迅速在器件中傳播，并且能夠一直持續(xù)下去。這樣，電子的時空周期性運動引起了電流振蕩，并且這種隨時間周期性變化的電流振蕩頻率在THz波段?；谏鲜鲈恚景l(fā)明設計的碳納米管THz振蕩器由芯片和外圍電路組成，外加直流偏壓和所產生的高頻信號通過電容和電感形成的電路分開，直流偏壓通過外圍電路中的電壓源提供，而被分離出的高頻交流信號通過高頻信號輸出模塊輸出，并可以通過頻譜分析儀記錄。該碳納米管THz振蕩器作為一種新型的固態(tài)THz振蕩器，具有結構簡單、易于集成以及可以室溫工作等優(yōu)點，將在未來的大容量數(shù)據(jù)傳輸和高速通信系統(tǒng)中獲得應用。


圖1為本發(fā)明碳納米管THz振蕩器的結構示意圖。圖2為實施例中單壁碳納米管的電子漂移速度與外加電場的關系圖。圖3為溫度T = 10K時，模擬得到的不同直流偏壓下碳納米管中電流濃度隨時間的變化關系圖。
具體實施例方式下面結合附圖，進一步說明本發(fā)明的具體實施方式
。請參見圖1，一種碳納米管THz振蕩器，由芯片和與之連接的外圍電路組成。所述芯片包括半導體碳納米管1和位于所述半導體碳納米管1兩端的電極2、3， 所述半導體碳納米管1與其兩端的電極2、3形成歐姆接觸，所述芯片通過所述電極2、3與外圍電路連接。所述外圍電路包括兩根同軸電纜線6、直流電壓源7以及高頻信號輸出模塊8 ； 所述兩根同軸電纜線6通過高頻探針分別與所述電極2、3接觸；所述直流電壓源7與電感串聯(lián)，接在所述兩根同軸電纜線6之間，用于向所述半導體碳納米管1兩端施加直流偏壓； 所述高頻信號輸出模塊8與電容串聯(lián)，接在所述兩根同軸電纜線6之間，用于輸出高頻信號。其中，所述芯片還包括Si襯底4和位于Si襯底4之上的SiO2絕緣層5，SiO2絕緣層5的厚度為300nm。所述半導體碳納米管1是直徑為2nm，長度為300nm，手性指數(shù)η = 25，摻雜濃度Nd= IX IO17CnT3的單壁碳納米管。所述半導體碳納米管1和其兩端的電極2、 3位于所述絕緣層5之上。所述半導體碳納米管1兩端的電極2、3互相平行且與所述半導體碳納米管1垂直。所述電極2、3采用金或鉬金制成，高度約為20nm，其上制備有引線，所述高頻探針通過引線與所述電極2、3接觸。所述同軸電纜線6內阻為50Ω，傳輸直流電壓和高頻信號。本實施例中，所述高頻信號輸出模塊8可以是頻譜分析儀，使頻譜分析儀與所述電容串聯(lián)接在兩根同軸電纜線6之間。本發(fā)明中產生的高頻電流信號通過頻譜分析儀記錄，由電容和電感組成的電路檢出。上述碳納米管THz振蕩器的制作方法，包括如下步驟1、選取(100)取向的Si作為Si襯底4，在其上淀積厚度為300nm的SiO2絕緣層 5，并處理其表面，使之平整光滑。2、選取一根直徑為2nm，長度為300歷，手性指數(shù)η = 25，摻雜濃度Nd = IX IO17cnT3 的單壁碳納米管作為半導體碳納米管1，利用原子力顯微鏡將其置于SiO2絕緣層5上。3、制備兩條歐姆接觸電極用聚焦離子束方法在半導體碳納米管1兩端制備兩條寬度為50nm，高度為20nm的電極2、3，兩個電極2、3互相平行，都垂直于半導體碳納米管1， 并且與半導體碳納米管1形成歐姆接觸。4、在兩個電極2、3上制作引線，將芯片進行封裝，使引線伸出。5、芯片制備完畢后，將芯片與外圍電路連接利用同軸電纜線6的高頻探針與電極引線連接，同軸電纜線6另一端與外部電路連接，如圖1所示。開啟所述外圍電路中的直流電壓源7，該碳納米管THz振蕩器即可進入工作狀態(tài)。 直流偏壓偏置在半導體碳納米管1兩端，半導體碳納米管1中產生的高頻信號通過電感和電容形成的電路到達頻譜分析儀，這樣碳納米管THz振蕩器的輸出信號就可以通過頻譜分析儀得到。在半導體碳納米管1兩端施加直流偏壓時，要使該半導體碳納米管1中的電子漂移速度位于負微分漂移速度區(qū)域，從而在該半導體碳納米管1中產生隨時間周期性變化的振蕩電流。其中，可以通過模擬所述半導體碳納米管1中電子在直流電場下的輸運特性，計算出所述半導體碳納米管1的電子漂移速度與外加直流電場的關系，從而找到所述電子漂移速度位于負微分漂移速度區(qū)域時對應于外加直流電場的直流偏壓范圍；然后在所述半導體碳納米管1兩端施加位于該范圍的直流偏壓。漂移-擴散方程是半導體器件模擬中常用的一種方法。本實施例采用漂移_擴散方程來模擬半導體碳納米管1中電子在直流電場下的輸運特性。碳納米管的電子遷移速度與外加電場的關系包含在漂移-擴散方程中，圖2為計算得到的單壁碳納米管的電子漂移速度與外加電場的關系圖。圖中曲線的下行區(qū)域即為負微分漂移速度區(qū)域。與其對應的外加電場可以換算為外加的直流偏壓，從而可得到直流偏壓的范圍。通過求解漂移-擴散方程，還可以得到半導體碳納米管1在直流偏壓下的電場和電子濃度的時空分布特性，也就可以得到半導體碳納米管1中電流隨時間的變化。圖3表示了溫度為IOK時，不同電壓下的半導體碳納米管1電流濃度隨時間的變化關系。從圖中可以看出，在直流偏壓下，半導體碳納米管1中產生了隨時間周期變化的電流。通過計算可以得到，在直流偏壓Vde = 0. 4,0. 6，0· 8和1. OV時，電流振蕩頻率分別為1. 87THz, 1. 78THz, 1. 69THz和1. 45THz。在直流偏壓下，碳納米管中電流振蕩的頻率在THz頻段，并且振蕩頻率隨著直流偏壓的增大有降低的趨勢。本發(fā)明中涉及的其他技術屬于本領域技術人員熟悉的范疇，在此不再贅述。上述實施例僅用以說明而非限制本發(fā)明的技術方案。任何不脫離本發(fā)明精神和范圍的技術方案均應涵蓋在本發(fā)明的專利申請范圍當中。
權利要求
1.一種基于碳納米管的太赫茲振蕩方法，其特征在于在半導體碳納米管兩端施加直流偏壓，使該半導體碳納米管中的電子漂移速度位于負微分漂移速度區(qū)域，從而在該半導體碳納米管中產生隨時間周期性變化的振蕩電流。
2.根據(jù)權利要求1所述基于碳納米管的太赫茲振蕩方法，其特征在于通過模擬所述半導體碳納米管中電子在直流電場下的輸運特性，計算出所述半導體碳納米管的電子漂移速度與外加電場的關系，從而找到所述電子漂移速度位于負微分漂移速度區(qū)域時對應于外加電場的直流偏壓范圍；然后在所述半導體碳納米管兩端施加位于該范圍的直流偏壓。
3.—種碳納米管太赫茲振蕩器，其特征在于由芯片和與之連接的外圍電路組成；所述芯片包括半導體碳納米管和位于所述半導體碳納米管兩端的電極，所述半導體碳納米管與其兩端的電極形成歐姆接觸，所述芯片通過所述電極與外圍電路連接；所述外圍電路包括兩根同軸電纜線、直流電壓源以及高頻信號輸出模塊；所述兩根同軸電纜線通過高頻探針分別與所述電極接觸；所述直流電壓源與電感串聯(lián)，接在所述兩根同軸電纜線之間，用于向所述半導體碳納米管兩端施加直流偏壓；所述高頻信號輸出模塊與電容串聯(lián)，接在所述兩根同軸電纜線之間，用于輸出高頻信號。
4.根據(jù)權利要求3所述碳納米管太赫茲振蕩器，其特征在于所述芯片還包括襯底和位于襯底之上的絕緣層，所述半導體碳納米管和其兩端的電極位于所述絕緣層之上。
5.根據(jù)權利要求3所述碳納米管太赫茲振蕩器，其特征在于所述半導體碳納米管兩端的電極互相平行且與所述半導體碳納米管垂直。
6.根據(jù)權利要求3所述碳納米管太赫茲振蕩器，其特征在于所述電極采用金或鉬金制成。
7.根據(jù)權利要求3所述碳納米管太赫茲振蕩器，其特征在于所述電極上制備有引線， 所述高頻探針通過弓I線與所述電極接觸。
8.根據(jù)權利要求3所述碳納米管太赫茲振蕩器，其特征在于所述高頻信號輸出模塊為頻譜分析儀。
9.一種碳納米管太赫茲振蕩器的制作方法，所述碳納米管太赫茲振蕩器由芯片和與之連接的外圍電路組成，其特征在于，所述芯片的制作方法包括如下步驟(1)在Si襯底上淀積SiO2絕緣層，并處理其表面，使之平整光滑；(2)選取一根半導體碳納米管，利用原子力顯微鏡將其置于SiO2絕緣層上；(3)用聚焦離子束方法在所述半導體碳納米管兩端制備兩個電極，使兩個電極互相平行，且都垂直于所述半導體碳納米管，并與所述半導體碳納米管形成歐姆接觸；(4)在所述兩個電極上制作引線，并將所得結構進行封裝，使引線伸出。
10.根據(jù)權利要求9所述碳納米管太赫茲振蕩器的制作方法，其特征在于所述半導體碳納米管采用單壁碳納米管。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于碳納米管的太赫茲振蕩方法，在半導體碳納米管兩端施加直流偏壓，使該半導體碳納米管中的電子漂移速度位于負微分漂移速度區(qū)域，從而在該半導體碳納米管中產生隨時間周期性變化的振蕩電流。此外，本發(fā)明還提出了一種可實現(xiàn)上述方法的太赫茲振蕩器及其制作方法。該碳納米管太赫茲振蕩器由芯片和與之連接的外圍電路組成，作為一種新型的固態(tài)THz振蕩器，具有結構簡單、易于集成以及可以室溫工作等優(yōu)點，有望在未來的空間無線通信系統(tǒng)中得到廣泛應用。
文檔編號H03B5/04GK102223140SQ20101014580
公開日2011年10月19日 申請日期2010年4月13日 優(yōu)先權日2010年4月13日
發(fā)明者曹俊誠, 王長 申請人:中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所