بسمه تعالی

روش های تولید نانو لوله و ساخت ترانزیستورهای مبتنی برآن

استاد محترم:جناب آقای دکتر یوسفی
ایمان ارقند عرفان مظفری -
کارشناسی ارشد برق الکترونیک -
دانشگاه آزاد اسلامی واحد نور


چكیده:
با توجه به افزایش روز افزون نیاز به تراشه هایی با ابعاد کوچک تر ، استفاده از فناوری های جدید
در ساخت ترانزیستورها به عنوان جزءاصلی تراشه ها ضروری به نظر می رسد . نانو تکنولوژی و
الکترونیک مولکولی روشی نوین برای ساخت ترانزیستورها در ابعاد کوچک است.
در این مقاله ابتدا ساختار الکترونی ، خصوصیات مکانیکی و الکتریکی و همچنین روش های ساخت نانو
لوله های کربن بررسی می شود . سپس ترانزیستورهای اثر میدان نانو لوله کربن به لحاظ ساختار
هندسی ، روش های ساخت و پیاده سازی و همچنین نحوه عملکرد مورد بحث قرار می گیرند . هر
چند ساخت این ترانزیستورها هنوز در مراحل ابتدایی است اما با توجه به مزایای آن ها در سال های
آینده شاهد پیشرفت های چشمگیری دراین فناوری خواهیم بود .

1 مقدمه: -
در دهه های اخیر تلاش در جهت انجام عملیات پردازشی ومحاسباتی بیشتر بر روی یک
تراشه سیلیسیم ، اشتیاق شدیدی را برای هر چه کوچک تر ساختن اجزای مدار و به خصوص
ترانزیستورها به وجود آورده است . محدودیت های سرعت و مصرف توان نیز طراحان را به
استفاده از ابعاد کوچک تر متمایل می کند . یکی از مهم ترین بحث ها در این زمینه توسط
گوردن مور ) Gordon Moore (در سال 5691 مطرح گردید . طبق پیش بینی او که به
قانون مورمعروف است ، هر هجده ماه تعداد ترانزیستورهای روی یک تراشه دو برابر می شو د
. یا به عبارت دیگر هر هجده ماه اندازه ترانزیستورها نصف می شود . تا سال های
اخیرسازندگان تراشه تقریبا روی همین زمانبدی حرکت کردند .آن ها توانستند تراشه هایی
در مقیاس میکرو را به مقیاس nm 90 و اخیرا به 91 nm برسانند . اما برای رسیدن به
ترانزیستورهایی با ابعاد کوچک تر و تحقق قانون مورمشکلاتی به وجود آمد. یکی از دلایل
این مشکلات استفاده از دی اکسید سیلیکون 2 SiO به عنوان عایق بود . بیش از حد نازك
شدن این ماده در جریان کاهش ابعاد ترانزیستورها سبب اتلاف انرژی زیاد ، نشت جریان و
بیش ازحد داغ شدن قطعه در حین کار می گردید .یکی دیگر از محدودیت های فیزیکی ،
تقسیم ناپذیری اتم ها بود . برای مثال در فناوری کنونی لایه اکسید 5.2 nm قطر دارد اما
برای ساخت قطعات 51 nm نیاز به لایه اکسید گیت با ضخامت سه اتم خواهد بود که این
مساله فرآیند ساخت ترانزیستورهای کوچک تر با مواد کنونی را دشوار میکند.از طر فی نازك
تر ساختن ترانزیستور ها سبب افزایش جریان گیت بیش از جریان قابل تحمل کانال و عدم
کنترل پذیری ترانزیستور توسط گیت می گردد . یکی دیگر ازمشکلات افزایش هزینه فرآیند
لیتوگرافی (lithography) برای ساخت قطعات در مقیاس کوچک تر می باشد.
علاوه بر این با افزایش چگالی جریان الکتریکی، دمای ترانزیستورها به شدت افزایش می یابد
و در ابعاد بسیار کوچک )ابعاد نانو متری( ممکن است دمای این نانو ترانزیستورها به چندین
هزار درجه ی سلسیوس هم برسد! و بدین ترتیب این نانو ترانزیستورها در چند لحظه
ذوب می شوند . با وجود مشکلات و مسائلی که بیان شد، پژوهشگران به دنبال یافتن جایگزینی برای ابزارها و
ترانزیستورهای سیلیکونی با ابعاد کوچک تر هستند . یک گام اساسی در انجام کوچک سازی
مدارهای الکترونیکی، استفاده از مولکول های منفرد در ابزارهای الکترونیکی است. بدین
منظور بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله های کربنی، نتایج امیدوار کننده ای را به دنبال
داشته است .

2 آشنایی با نانو لوله ها و خواص آن ها -
نانو لوله های کربنی از صفحات کربن به ضخامت یک اتم و به شکل استوانهای توخالی
ساخته شده است در سال 1991 توسط)سامیو ایجیما (از شرکت NEC ژاپنکشف شد.
خواص ویژه و منحصر به فرد نانو لوله های کربنی (CNT) ازجمله استحکام کششی خوب
و طبیعت کربنی بودن نانولولهها) به خاطر این که کربن مادهای است کم وزن، بسیار پایدار
و ساده جهت انجام فرایندها که نسبت به فلزات برای تولید ارزانتر میباشد(باعث شده که
در دهه گذشته شاهد تحقیقات مهمی در کارایی و پرباری روشهای رشد نانو لولهها باشیم.
2 ساختار: - 1
کربن به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت می شود که همگی جامد هستند و در
ساختار آنها اتم های کربن به صورت کاملا منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند.این ساختار
:) ها عبارت اند از)شکل 5
الف(گرافیت ب(الماس ج(نانو لوله ها د(باکی بال ها )مانند C60 )
شکل 5-ساختار کربن
یکی از جالب ترین بحث های دو دهه گذشته یافتن شکل تازه ای از کربن
است . این مولکول کروی که دارای C بوده است . شناخته ترین فولرن 96 )Fullerene( بنام
نیز می )buckyball( آرایش های پنج ضلعی و شش ضلعی می باشد و به آن باکی بال
گویند ، در سال 5691 کشف شد .
تخلیه الکتریکی بین دو الکترود زغالی به ، C مدت کوتاهی پس از کشف مولکول های 96
1.4 و طول آ ن ها nm کشف فولرن های لوله ای بلند انجامید که چون قطر آن ها حدود
26-56 بود نام نانو لوله را بر آن ها نهادند. nm
بودند . اولین لوله های تک دیواره )multi-wall( نانو لوله های اولیه همگی چند دیواره
در سال 5661 کشف شدند. )wall-single(
2-2 انواع نانو لوله های کربنی
( SWNT) -1 نانو لوله های کربنی تک جداره
یک نانو لوله تک جداره از دو قسمت بدنه و در پوش با خواص فیزیکی و شیمیایی متفاوت
و مرکب از C تشکیل شده است . ساختار در پوش ، مشابه یک فولرین کوچک همانند 60
حلقه های ۵ و ۶ ضلعی اتم کربن است که در کنار هم قرار گرفته اند و ساختاری گنبدی
شکل را به عنوان در پوش ایجاد کرده اند . و قسمت دیگر، بدنه استوانه ای شکل آن است
که از یک صفحه گرافیتی تشکیل شده است . نانو لوله تک جداره به دلیل خواص الکتریکی
جالب شان که در انواع دیگر مشاهده نمی شود ، نوع بسیار مهمی از نانولوله ها هستند .
بدون شک با توجه به قطر کم آن ، انتخاب مناسبی برای کوچک کردن اجزای صنایع
الکترونیک و مینیاتوری کردن الکترونیک است .
2 نانو لوله های کربنی چند جداره - (MWNT)
از چند استوانه کربنی هم محور تو در تو ایجاد شده است که می توان آن را به صورت دسته
ای از نانو لوله های هم مرکز با قطر های متفاوت در نظر گرفت . طول و قطر این ساختار ها
در مقایسه با نانو لوله های تک جداره بسیار متفاوت بوده و دارای خواص متفاوتی است. . .
3 فولرایت - (FULLERITE)
فولرایت ها شکل بسیار فشرده ای از نانو لوله های تک جداره پلاریزه ای هستند که به
اختصار (P-SWNT) نامیده می شوند . فولرایت ها از سختی بسیار بالایی برخوردارند .
گروهی از آنها سختی همانند الماس دارند .
4 تروس یا حلقه ای - (TORUS)
نانو تروس یک نانو لوله کربنی است که به شکل یک حلقه خم شده است . نانو تروس ها
خواص منحصر بفردی دارند . مثلا مقدار مغناطیس آنها ۰۱۱۱ برابر بیش از آن است که
برای برخی دیگر از مواد پیش بینی می شود . همچنین خواص دیگری همچون پایداری
حرارتی دارند که با شعاع حلقه و قطر لوله تغییر می کند .
5 ساختارهای غیر ایده آل -
در برخی موارد به علت جایگزینی شش ضلعی های دیواره با ۵ یا ۷ ضلعی های کربنی ،
نواقصی در نانو لوله ها ایجاد می گردد که موجب تغییر خواص آنها می شود. نوع دیگری از
نواقص به واسطه ورود ناخالصی ها هنگام رشد یا بعد از آن به ساختار نانولوله خواص
جدیدی به نانو لوله ها می دهد .
برخی نواقص موجب ایجاد ساختارهای جدید همچون انشعابات Y و T در نانولوله ها
می گردد . این انشعابات را می توان تحت شرایط خاص و کنترل شده نیز ایجاد کرد .
خواص اعجاب انگیز الکتریکی این انشعابات که در صنایع الکترونیک قابل استفاده است .
یا همان نانو لوله های NANOBUD و PEAPOD آخرین نوع از این ساختار های جالب
را جای داده اند. C کربنی هستند که در ساختار خود گلوله های باکی همچون 60
2-3 ساختار الكترونی نانو لوله های کربن
است .گرافن )graphene( ها ناشی از ساختار الکترونیک گرافن CNT خصوصیات الکتریکی
یک لایه اتمی از گرافیت و ماده ای دو بعدی با ساختار لانه زنبوری است . در شکل 2
ساختار شبکه ای گرافن نشان داده شده است .
شکل 2-ساختار شبکه ای گرافن
خصوصیات رسانایی گرافن توسط ترازهای الکترون اشغال شده در نزدیکی انرژی فرمی
مشخص می شود . انرژی فرمی ، انرژی با لاترین تراز الکترونی اشغال شده در دمای صفر EF
در نزدیکی )k( درجه است . انرژی ترازهای الکترونی به عنوان تابعی از بردار موج آن ها
در شکل 1 نشان داده شده است . EF
شکل 1 : انرژی ترازهای الکترونی بر حسب بردار موج
این ساختار باند انرژی که در آن الکترون ها از اتم های موجود در شبکه کریستالی پراکنده
می شوند کاملا غیرمعمول است . به عبارت دیگر این ساختار باند انرژی نه مانند ساختار
باند انرژی یک فلز است که در آن تعداد زیادی از ترازها آزادانه در داخل کریستال و در
نزدیکی EF پخش می شوند و نه مانند ساختار باند انرژی یک نیمه رسانا است که به سبب
بازگشت الکترون ها در اثر برخورد با اتم های شبکه دارای یک شکاف انرژی بدون هیچ تراز
الکترونی در نزدیکی EF می باشد. در واقع ساختار باند انرژی گرافن چیزی بین این دو حالت
است . در اغلب جهات الکترونهایی که در تراز انرژی فرمی حرکت می کنند به سبب برخورد
با اتم های شبکه بازگشت می یابند و سبب ایجاد ماده ای با شکاف باند انرژی مشابه یک
نیمه هادی میگردند . اما در سایر جهات ، الکترون ها از اتم های مختلف شبکه با انرژی زیاد
به هم برخورد می کنند که این امر سبب جلوگیری از برگشت کامل الکترون های بازگشتی
و منجر به رفتاری مشابه مواد فلزی می گردد . این خنثی سازی حرکت الکترون های
بازگشتی از شبکه تنها در جهت y و جهاتی که با y زوایای 60o ، 120o ، o ،596 o
256 می سازند رخ می دهد . بنابراین با توجه به فلزی بودن در این جهات و نیمه رسانا
بودن در سایر جهات گرافن یک نیمه فلز (semi-metal) نامیده می شود.
با نگاهی دقیق تر به شکل 3 به نظر می رسد ساختار باند انرژی در ترازهایی با انرژی پایین
مشابه یک مجموعه از مخروط ها است . در انرژی های پایین گرافن مانند یک فضای دو
بعدی از فرمیون های) fermion ( بدون جرم است .
برای ساخت یک رسانای تک بعدی از این ماده دو بعدی از تئوری های ریسمان و پیچاندن
ماده به فرم یک لوله استفاده می شود . جهت پیچاندن ورقه گرافن به فرم لوله را خصلت
کایرالی) chirality ( ماده می گویند. اگر محور لوله درجهت y انتخاب شود ، ساختار باند
انرژی همانند خطوطی است که از مرکز مخروط می گذر ند .
در این حالت لوله هما نند یک فلز تک بعدی عمل می نماید و CNT ها دارای مقاومت
بسیار کمی هستند. شکل 4 نشان دهنده این حالت است .
k شکل 4 : نانو لوله کربن فلزی و تراز انرژی آن بر حسب
انتخاب شود ، ساختار باند انرژی دارای مقطع مخروطی متفاوتی x اگر محور لوله در جهت
خواهد بود . در این حالت یک نیمه رسانای تک بعدی خواهیم داشت که دارای شکاف
انرژی بین دو حالت پر بودن کامل تراز حفره ها و خالی بودن کامل تراز الکترون ها است .
در شکل 5 این حالت نمایش داده شده است .
k شکل 5 :نانو لوله کربن نیمه رسانا و تراز انرژی آن بر حسب
بسیار قوی می باشد . اما در لو له های چند CNT نیروی پیوند بین دو اتم مجاور در
دیواره هیچ پیوندی بین دو لوله وجود ندارد . تنها ربایش بین لایه ها نیروی ضعیف
(substrate) را به زیر ساخت CNT واندروالس می باشد .چنین نیرویی اتصال
قرار می گیرد Si بر روی یک لایه CNT امکان پذیر می سازد. .هنگامی که یک )Si )مثلا
در CNT هیچ پیوندی بین این دو به وجود نمی آید اما نیروی ربایش برای نگه داشتن
های CNT جای خود به طور محکم کافی است . این نیرو به قدری است که می تواند
بزرگ تر(مثلا با محیط 20 اتم ) را به طرز محسوسی خم نماید.
2-4 روش های تولید نانو لوله
در سال 1991 توسط پژوهشگر ژاپنی به نام سومیو ایجیما که متخصص میکروسکوپ
بود، آزمایشی به وقوع پیوست که تا به حال سهم به سزایی در توسعه نانو NEC آزمایشگاه
تکنولوژی داشته است. وی که به دستکاری و تغییر روش های ارائه شده توسط محققین
موسسه ی فیزیک هسته ای ماکس پلانگ جهت تولید فولرین مشغول بود، دو الکترود
گرافیت را به جای اتصال در فاصله کمی از یکدیگر قرار داد و بین آنها قوس الکتریکی برقرار
کرد. این آزمایش سبب شد که وی به طور کاملا اتفاقی نانو تیوپ های کربی را کشف کند.
دو نوع ساختار متفاوت نانو تیوپ کربن وجود دارد، که از بقیه اشکال آن تا حدودی متمایز
است:
-1 نانو لوله تک جداره Single Wall
-2 نانو لوله چند جداره Multi Wall
این دو مورد و خصوصاً نوع تک جداره آن صرفاً به دلیل سادگی توجه پژوهشگران بیشتری
را به خود جلب کرده است نانو لوله تک جداره از یک ورقه ی گرافیت پیچیده به صورت
استوانه به وجود آمده که دو سر آن به حالت کروی مسدود است. تفاوت نوع چند جداره به
وجود آمده که درون هم قرار دارند. در میان انواع روشهای تولید نانو تیوپ کربنی تک
جداره سه روش از اهمیت و ارزش بالاتری برخوردار دارند. این روشها عبارتند از:
-1 قوس الکتریکی Arc Discharge
-2 رسوب گذاری بخار شیمیایی CVD ( Chemical Vapor Deposition )
-3 تبخیر لیزری ( Laser Vaporization )
2-4-1 روش قوس الكتریكی
این روش نخستین بار توسط ایجیما در سال 1993 برای تولید نانو لوله های تک دیواره به
کار گرفته شد. در سال 1991 ، ژرنت (journet) و همکارانش با بهینه سازی پارامترهای
فرآیند، توانستند نانو لوله های تک دیواره با خلوص و راندمان بالا به دست آورند.
در این روش، از دو میله گرافیتی به عنوان الکترود ) کاتد و آند ( استفاده می شود. در امتداد
محور آند حفره ای ایجاد شده و با مخلوطی از پودر گرافیت و کاتالیست پر می گردد. کاتد و
آند مطابق شکل 6، به صورت افقی درون یک راکتور نصب می شوند. پس از برقراری خلا
بین 55 تا 155 آمپر از میان دو الکترود DC مناسب و با ورود گاز هلیوم، یک جریان
گرافیتی عبور می کند و قوس الکتریکی بین دو الکترود ایجاد می گردد. گرمای زیاد حاصل
از قوس الکتریکی، آند گرافیتی تو خالی را تبخیر و یونیزه می کند. کاتیون های کربن اتمی
تولید شده، به طرف کاتد حرکت کرده و با گرفتن الکترون بر روی سطح کاتد شروع به رشد
می کنند. علی رغم سهولت این روش در تولید نانو لوله های کربنی، مقدار کربن آمورف تولید
شده در این روش زیاد بوده و فرایند پیوسته نیست. همچنین اندازه الکترودها و راکتور،
راندمان واکنش را محدود می سازد.
شکل 6- تولید نانو لوله های کربنی به روش قوس الکتریکی
محصول روش قوس الکتریکی، معمولاً محتوی نانو لوله های چند دیواره می باشد که به
، شرایط آزمایش مانند جریان قوس الکتریکی، فشار و نوع گاز بستگی دارد. در سال 2555
و همکارانش روشی را ارائه دادند که طی آن توانستند نانو لوله (Huiming) هویمینگ
کربنی تا دیواره با خلوص بالاتر به دست آورند. در این روش، از پودر گرافیت و
کاتالیست های فلزی آهن، کبالت، نیکل، ایتریم و نیز گوگرد استفاده شد. نقش گوگرد در
اینجا بهبود شرایط رشد نانو لوله های کربنی است. در این روش، شکل راکتور باید استوانه ای
باشد و الکترود ها نیز نباید بر هم عمود باشند بلکه باید زاویه ای بین 35 تا 05 درجه داشته
.) باشند. تغییر این زاویه می تواند بر کیفیت و مورفولوژی محصول تاثیر داشته باشد )شکل 1
طی آزمایشات انجام شده مشخص شده است که محصول تولیدی قابلیت خوبی برای جذب
و ذخیره سازی هیدروژن دارد.
شکل 1- تولید نانو لوله های تک دیواره خلوص بالا به روش تصحیح یافته قوس الکتریکی
در روش قوس الکتریکی، فشار گاز، عامل مهمی در میزان راندمان است. به نحوی که
)555 torr بهترین راندمان تولید نانو لوله های کربنی تک دیواره در فشارهای بالا )بیش از
به دست آمده است. البته این راندمان به ولتاژ مورد استفاده نیز بستگی دارد.
برای تولید نانو لوله های کربنی توسط روش تخلیه قوس الکتریکی، از عناصر فلزی مختلفی
مثل گادولینیم، کبالت-پلاتین، کبالت-روتنیم، کبالت، نیکل-ایتریم، رودیم-پلاتین، کبالت-
به ( Co-Ni-Fe-Ce, Gd, Co-Pt, Co-Ru, Co, Ni-Y, Rh-Pt) نیکل-آهن-سریم
عنوان کاتالیست استفاده شده است. البته در آزمایشات مشخص شده که کاتالیست نیکل-
ایتریم برای تولید نانو لوله های تک دیواره، راندمان تولید را تا 95 ٪ افزایش می دهد.
این روش نیاز به الکترودهای گرافیتی با خلوص بالا و ذرات فلزی و گازهای هلیوم، آرگون،
یا هیدروژن با خلوص بالا دارد. به علاوه محصول تولید شده توسط این روش، نیاز به
عملیات خالص سازی نیز دارد. بنابر این، این روش، روش گرانی است.
CVD(Chemical Vapor Deposition ) 2-4-2 رسوب گذاری بخار شیمیایی
از دیگر روش های تولید نانو لوله های کربنی است که برای تولید انبوه )در حد CVD روش
چند کیلوگرم( به کار می رود. این روش شامل رشد کاتالیزوری عنصر کربن در دمای
بالاست. در این فرآیند از نانو ذرات فلزی که به عنوان کاتالیست عمل می کنند، استفاده
می شود.
منبع تامین کربن ترکیباتی مانند مونوکسید کربن، هیدروکربن های آروماتیک مانند بنزن،
تولوئن، زایلن، نفتالین، یا مخلوطی از آن ها و نیز هیدروکربن های غیر آروماتیک مانند متان،
اتان، پروپان، اتیلن، پروپیلن، استیلن یا مخلوطی از آن ها و همچنین هیدروکربن های
اکسیژن دار از قبیل فرمالدئید، استالدئید، متانول، اتانول یا مخلوطی از آن هاست.
جدول VIII کاتالیزورهای مورد استفاده متفاوت بوده اما حداقل حاوی یک فلز از گروه
تناوبی عناصر نظیر پالادیم، رودیم، روتنیم، نیکل، کبالت، پلاتین و حداقل حاوی یک فلز از
جدول تناوبی نظیر مولیبدن، تنگستن و کروم هستند. VIb گروه
دستگاه تولید نانو لوله های کربنی به روش رسوب شیمیایی بخار در شکل 8 نشان داده شده
است. مطابق شکل، مخلوطی از گازهای هیدروکربنی و گاز آرگون )برای محافظت از
آلودگی( وارد کوره ای شده و در آنجا پس از انجام واکنش های شیمیایی، نانو لوله های کربنی
روی ماده ی زیر لایه رسوب می کنند. مواد فلزی کاتالیزوری روی ماده ی زیر لایه قرار دارند.
شکل 8 دستگاه تولید نانو لوله های کربنی به روش رسوب گذاری بخار شیمیایی -
تولید نانو لوله های کربنی تک دیواره به روش رسوب دهی شیمیایی فاز بخار شامل دو
مرحله ی اساسی است:
1( تولید کاتالیست و 2( انجام فرایند تولید است. در ابتدا فلز کاتالیست را درون یک ماده ی
زمینه توزیع می کنند. پس از تولید کاتالیست در مرحله دوم از روش رسوب دهی شیمیایی
بخار استفاده می شود. معمولا کاتالیزور تهیه شده و مجموعه در داخل یک کوره ی استوانه ای
قرار داده می شود. سپس همراه با عبور گاز بی اثر، دمای کوره تا حد مورد نظر افزایش داده
می شود. در ادامه، با قطع جریان گاز بی اثر، گاز هیدروژن با جریان مشخص و برای مدت
زمان دلخواه در راکتور جریان یافته و سنتز نانو لوله های کربنی بر روی کاتالیست صورت
می گیرد. پس از گذشت زمان مورد نیاز، جریان گاز هیدروکربن قطع و جریان گاز بی اثر
مجدداً برقرار می گردد. کوره تا دمای اتاق سرد می شود.
انجام این فرایند معمولا به تولید همزمان نانو لوله های کربنی تک دیواره و چند دیواره
منتهی می گردد. در سال های اخیر، با اصلاح شرایط فرایند، تولید نانو لوله های کربنی تک
دیواره حتی با خلوص بالاتر از 95 ٪ امکان پذیر شده است.
2 4 3 روش سایش لیزری )تبخیر لیزری( - -
در سال 1996 ، گروه اسمایلی از دانشگاه رایس، سنتز نانو لوله های کربنی تک دیواره با
بازدهی بیش از 15 ٪ را به وسیله روش تبخیر لیزری میله های گرافیتی با مقدار کم نیکل و
کبالت ) به عنوان کاتالیست ( در 1255 درجه سانتی گراد گزارش دادند.
دستگاه مورد استفاده توسط گروه اسمایلی در شکل 9 نشان داده شده است.در این دستگاه
یک پرتو لیزر ضربانی یا پیوسته، به نمونه گرافیتی که شامل نیم درصد اتمی نیکل و کبالت
به عنوان کاتالیزور است، تابیده می شود تا آن را تبخیر کرده و سبب جدا شدن خوشه های
کربنی از آن گردد. تفاوت اصلی لیزر ضربانی و پیوسته این است که لیزر ضربانی شدت نور
12 (. کوره با گازهای بی اثر kw/cm 155 در مقایسه با 2 kw/cm بسیار بالاتری دارد ) 2
555 نگه داشته شده است. جریان torr نظیر هلیم یا آرگون پر شده و فشار آن نیز روی
آرگون یا هلیم در راکتور که به وسیله کوره تا 1255 درجه سانتی گراد گرم شده است، بخار
را حمل کرده و هسته های نانو لوله کربنی را ایجاد می کند که به رشد خود ادامه می دهند.
نانو لوله ها بر روی دیوارهای سردتر لوله کوارتز، در پایین کوره، رسوب می کنند. در این
فرایند درصد بالایی نانو لوله های کربین تک دیواره ) حدود 15 درصد ( تولید شده و بقیه
ذرات، کاتالیست و دوده می باشند. همچنین هنگام سرد شدن بخارات، مولکول ها و اتم های
کوچک کربن ممکن است با یکدیگر متراکم شده و تبدیل به خوشه های بزرگتری شوند،
بنابراین ممکن است ترکیبات فولرن نیز مشاهده گردد. این اتفاق بیشتر زمانی می افتد که
نمونه گرافیتی فاقد کاتالیست باشد، چرا که کاتالیست به خوشه های کربنی متصل شده و
مانع از بسته شدن ساختارهای قفسی می گردد.
شکل 9- دستگاه تولید نانو لوله های کربنی به روش سایش لیزری
مشابه فرایند قوس الکتریکی گرافیتی خالص منجر به سنتز نانو لوله های چند دیواره
Fe, Ni, می گردد، اما برای سنتز نانو لوله های تک دیواره بایستی گرافیت با فلزاتی نظیر
مخلوط گردد. نانو لوله های تولید شده به روش سایش لیزری نسبت به روش Y و Co
قوس الکتریکی خالص تر می باشند )با درجه خلوص بالای 95 ٪(. مخلوط کاتالیستی Ni/Y
( Ni/Y به نسبت 4.2 به 1( بهترین بازده را می دهد.
تحقیقات اخیر نشان داده که لیزر با پالس های بسیار سریع می تواند برای تولید مقادیر زیاد
نانو لوله های کربنی تک دیواره، به کار رود. البته به طور کلی روش سایش لیزری از لحاظ
اقتصادی، روش مقرون به صرفه ای نیست، چرا که این عملیات نیازمند میله های گرافیتی با
خلوص بالا و لیزر با توان بالاست. همچنین سرعت تولید این روش نسبت به روش های
دیگر، کمتر است
2 4 4 روش جدید برای تولید پیوسته نانولوله های کربنی - -
گروهی از محققان دانشگاه سین مالزی (USM) به طور موفقیت آمیزی روشی جدید برای
تولید نانولوله های کربنی ایجاد کرده اند.روش جدید قابلیت کاهش هزینه نانولوله های
کربنی از 066 566 دلار به 11 51 دلار برای هر گرم را دارد. به گزارش گروه مواد - -
پیشرفته هیتنا، روش رایج به نام روش تولید پیوسته نانولوله های کربنی با استفاده از راکتور
چرخشی تا به حال اولین بار در آسیای جنوبی ایجاد شده است.
در این روش از یک سیستم رآکتور با نحوه چرخش جدید برای تولید پیوسته نانولوله های
کربنی بدون افت کیفیت و صحت استفاده شده است. سیستم قادر به تولید تا 5666 گرم
نانولوله کربنی در هر روز است. سیستم توسعه یافته زیست سازگار است و در شرایط
محیطی می تواند عمل کند. از لحاظ هزینه به صرفه و نیاز به فضای زیاد برای کار کردن
راکتور ندارد.
2 5 ویژگیهای نانو لوله کربنی -
نانو لوله های کربنی بسیار کوچک هستند. به طوریکه قطر آنها گاهی کوچکتر از 4/0
نانومتر می باشد. نانولولهها بر حسب نحوه رول شدن صفحات گرافیتی سازندشان، به صورت
رسانا یا نیمهرسانا در میآیند. به عبارت دیگر از آنجا که نانو لولهها در سطح مولکولی
همچون یک باریکه سیمی در هم تنیده به نظر میرسند، اتمهای کربن در قالب شش
وجهی به یکدیگر متصل میشوند و این الگوهای شش وجهی دیوارههای استوانهای را
تشکیل میدهند که اندازه آن تنها چند نانومتر میباشد. زاویه پیچش نوعی نانو لوله، که به
صورت زاویه بین محور الگوی شش وجهی آن و محور لوله تعریف میشود، رسانا یا نارسانا
بودن را تعیین میکند.. از آنجایی که نانولولههای کربنی قادرند جریان الکتریسته را به
وسیله انتقال بالستیک الکترون بدون اصطکاك از سطح خود عبور دهند لذا نانو لولهها
انتخاب ایدهآلی برای بسیاری از کاربردهای میکروالکترونیک میباشند .
نانو لو له ها به تغییرات کوچک نیروهای اعمال شده حساس هستند اعمال فشار بر یک نانو
لوله میتواند ویژگیهای الکتریکی آن را تغییر دهد که بسته به نوع کشش یک نانو لوله
میتوان رسانایی آن را افزایش یا کاهش داد. این امر به دلیل تغییر ساختار کوانتومی
الکترونها صورت میگیرد. لذا این امکان به فیزیکدان ها داده میشود که ترانسفورماتور یا
دستگاههای انتقال دهنده بر پایه نانو لولهها بسازند که حساسیت زیادی به اعمال نیروهای
بسیار کوچک دارند. همچنین توانایی نانو لولهها در احساس تغییرات بسیار کوچک فشار و
باز تبدیل این فشار به صورت یک علامت الکتریکی میتواند در آینده امکان ساخت
سوئیچهای نانو لولهای حساس به تغییرات بسیار کوچک فشار را به محققان بدهد .
ضریب تحرك الکتریسیته بسیار بالا نانولولهها در دمای اتاق دارای بالاترین ضریب تحرك
الکتریسته نسبت به هر ماده شناخته شده دیگری هستند .
استحکام و مقاومت کششی بالا میزان افزایش نیروی گرمایی و مقاومت نانو لولهها با ریشه
سوم جرم اتمها و مولکولها متناسب است. همچنین حرارت دادن موجب افزایش استحکام
نانو لوله شده و مقاومت کششی آن را شش برابر میکند و هدایت آن نیز افزایش مییابد.
تحقیقات اخیر نشان می دهد که در اثر برخورد اتمها یا مولکولها با نانو لوله کربنی
مقاومت الکتریکی آن تغییر میکند .
نانو لوله ها دارای استحکام مکانیکی منحصر به فردی هستند . مقاومت کششی آن ها بیش
از بیست برابر فولاد و انتقال گرمایی آن ها دو برابر بهتر از فولاد است . برخلاف فیبر های
کربن CNT هارا می توان با زاویه تندی بدون ، آنکه بشکنند خم نمود . همچنین می
توانند در مقابل دمایی سه برابر دمای نقطه ذوب مس دوام بیاورند . چانچه قبلا نیز اشاره
شد CNT ها قادرند با تغییر شکاف باند (band gap) که وابسته به جهت پیچاندن ورقه
گرافن به فرم لوله است ، رفتاری مشابه رساناها و یا نیمه رساناها داشته باشند . این انعطاف
پذیری از آنجا ناشی می شود که گرافن یک نیمه فلز است و اختلاف بین باند
ظرفیت (valence) و باند هدایت آن ناچیز است و تنها تعداد کمی از الکترون ها می توانند
از طریق تراز فرمی به باند ظرفیت دسترسی داشته باشند . با تغییر جهت پیچاندن ورقه
گرافن ، ترازهای انرژی به دور نقطه فرمی می توانند اضافه و یا حذف شوند که این
امرموجب تغییر اندازه شکاف باند یا به عبارتی همان فاصله بین باند هدایت و باند ظرفیت
می شود . البته خواص الکتریکی و مکانیکی CNT ها علاوه بر جهت پیچاندن ، به قطر آن
ها نیز وابسته است .
یکی از خصوصیات مهم و جالب CNT این است که انتقال حامل ها در آن تقریبا به صورت
بالیستیک انجام می پذیرد) near-ballistic transport ( این بدین معنا است که ،
دقیقا همان الکترونی که از یک طرف CNT وارد می شود از طرف دیگر خارج می شود و
دچار افت انرژی و پراکندگی نمی شود . سودمندی انتقال بالیستیک این است که مقاومت
لوله مستقل از طول آن است . مقاومت الکتریکی در نقاط اتصال دهنده که الکترون وارد
لوله شده و آن را ترك می کند به طور نمونه در حدود kΩ 6 است . به دلیل خواص غیر
اهمی و پایداری حرارتی بالا CNT ها قادرند ظرفیت انتقال جریانی در حدود یک بیلیون به
ازای هر سانتیمتر مربع داشته باشند که این مقدار تقریبا هزار بار بزرگ تر از ظرفیت انتقال
جریانی سیم مسی است .
-3 ترانزیستور های اثر میدان نانو لوله کربن
شاید مناسب ترین گزینه برای )CNTFET( ترانزیستورهای اثر میدان نانو لوله کربن
سیلیکونی به عنوان قطعاتی که در حجم بالا )FET( جایگزینی ترانزیستورهای اثر میدان
برای ساخت مدارها مورد استفاده قرار می گیرند باشد.
CNTFET 3-1 ساختار فیزیكی یك
متشکل از یک نانو لوله تک دیواره و سه CNTFET همان طور که ملاحظه می شود یک
اتصال دهنده فلزی است.
CNTFET شکل 15 -نمونه یک
همانند یک CNT های سیلیکونی. است در اینجا FET این ساختار بسیار مشابه با ساختار
کانال برای انتقال حامل ها عمل می نماید . لازم است که ترمینال های سورس و درین به
اندازه کافی از هم دور و جدا باشند تا از پدیده تونل زنی الکترون ها بین آن ها جلوگیری به
15-5 برای این منظور nm عمل آید . آزمایشات نشان داده است که فاصله ای در حدود
وگیت در واقع به صورت دو صفحه یک خازن عمل می کنند . اعمال CNT . کافی است
یک اختلاف ولتاژ بین گیت و نانو لوله سبب انباشتن بارهای مخالف بر روی آن ها می شود
. تعداد الکترون ها بر روی یک CNT را می توان با این روش کنترل نمود . اگر تعداد
الکترون ها در ترازهای بالا یا پایین تراز انرژی به نحوی باشد که بخشی از این ترازهای
انرژی و نه تمام آن ها پر شده باشد ، رسانایی بر قرار است اما اگر ترازها بالای شکاف انرژی
کاملا خالی و ترازهای زیر آن کاملا پر باشد ، رسانایی نخواهیم داشت .
3 2 روش ساخت - CNTFET
CNFET های اولیه همگی قطعاتی از نوع P بودند.اما اخیرا قطعات نوع N نیز تولید
می شوند . نقطة شروع برای تولید هر دو نوع قطعه مشابه است .اگر در حین فرآیند ساخت
قطعه یک بار در معرض جریان هوا قرار گیرد تبدیل به نوع P می شود ، زیرا حضور اکسیژن
سبب می شود که تراز فرمی در محل اتصال فلز نانو لوله به سمت باند والانس شیفت -
داده شود و این امر هدایت حفره ها را ممکن میسازد . اگر همان قطعه در خلأ تحت حرارت
قرار گیر د واجازه داده شود که بخارات و گازهای حاصل خارج شوند تراز فرمی به سمت
باند هدایت شیفت داده می شود که این امر موجب تزریق الکترون ها می گردد و بنابراین
یک FET نوع N تولید می شود . FET های نوع N را می توان با داپینگ سنگین قسمت
عمده ای از نانو لوله ها با پتاسیم تولید نمود . انجام آزمایشات لازم و رسم منحنی انتقالی
نشان می دهد که لوله های داپ شده با پتاسیم ، ماکزیمم جریان درین سورس) IDS )
بالاتری را نسبت به نوع P و یا نوع N بدون داپینگ خواهد داشت . برای ساخت ترکیبی از
قطعات نوع N و نوع P بر روی یک تراشه می توان از تکنیک های لیتوگرافی موجود
استفاده نمود.
در ابتدا تمام FET های نوع N با ماده مقاوم PMMA ( polymethylmethacrylate )
پوشانیده می شوند . سپس کل تراشه در یک اتاق خلاء در دمای oC 255 قرار داده
می شود . قرار گرفتن طولانی مدت در خلأ باعث می شود که اکسیژن موجود در کل
قطعات خارج گردد و تنها FET های روی تراشه همگی از نوع N گردند . سپس تراشه
برای مدت کوتاهی در معرض اکسیژن قرار می گیرد . در این حالت ترانزیستورهایی که با
PMMA پوشانیده نشده اند ، به سرعت اکسیژن جذب کرده و دوباره تبدیل به FET
های نوع P می شوند . سرانجام کل تراشه با یک لایه از اکسید سیلیکون پوشانده می شود
تا از پایداری دراز مدت ترانزیستورهای FET نوع N در معرض هوا اطمینان حاصل گردد
.استفاده از قطعات نوع P و N ساخت تراشه هایی با عملکرد مشابه CMOS را با استفاده
از FET ها ممکن می سازد.
3 3 جاگذاری و پیاده سازی - CNTFET
با داشتن توانایی ساخت مقدار زیادی از نانو لوله ها با اندازه مشخص هنوز یک مشکل وجود
دارد و آن ساخت ترانزیستورها در مقیاس انبوه و جایگذاری و اتصال آن ها به یکدیگر به
فرم یک مدار بر روی یک زیر ساخت می باشد . قطعات نانو لوله به طور معمول با نشاندن
نانو لوله ها برروی یک زیر لایه سیلیکونی توسط نوك یک میکروسکوپ نیروی
اتمی (AFM) تولید می شوند . واضح است که این روش را نمی توان برای ساخت قطعات
در مقیاس انبوه به کار برد . حتی برای ساخت تعداد کمی ترانزیستور نیز این روش وقت
گیر و هزینه بر است. CNTFET های اولیه با استفاده از CNT هایی که با یک فرآیند
لایه برداری لیزری در حضور کاتالیزورهای نیکل - کبالت ترکیب شده بود ساخته
می شد ند . سپس نانو لوله ها به حالت معلق در یک محلول قرار می گرفتند و بر روی یک
ویفر سیلیکون اکسیده با یک زیر ساخت اتصال دهنده فلزی از پیش تعیین شده ، پراکنده
می شدند . نتیجه این امر توزیع تصادفی نانو لوله های کربن و در بعضی اوقات سبب ایجاد
پلی بین کنتاکت ها می شد . در نتیجه ، روش های نشست بخارشیمیایی مجاورتی برای
رشد دادن نانو لوله های کربن بر روی به اصطلاح جزایری از کاتالیزورهای از پیش تعیین
شده توسعه یافتند .
شکل 11 تولید - CNTFET با روش نشست بخار شیمیایی
نانو لوله هایی که به این ترتیب تولید می شدند ، در جزایر کاتالیزور ریشه می کنند و در
جهات تصادفی بر رو ی ویفر رشد می کنند و انتهای بعضی از نانو لوله ها بر روی جزایر
کاتالیزوری دیگر قرار می گیرند وسبب ایجاد پل می شوند . تکنیک های نشست
بخارشیمیایی کنترل پذیری بیشتری را در تولید قطعات فراهم می کنند و منجر به افزایش
سرعت پیشرفت در زمینه کارایی قطعات می شوند . یکی دیگر از روش ها برای انجام این
کار ، فرآیندی است که در آن از مولکول های DNA برای ساخت CNTFET ها به شیوه
self-assemble استفاده می شود . در این روش ابتدا یک چارچوب با استفاده از DNA
ساخته می شود و سپس ترانزیستور بر روی این بدنه به وجود می آید . در این روش هر
چند ترانزیستورها ساخته می شدند اما هنوز مشکل جایگذاری و چینش ترانزیستور ها
وجود داشت . بنابراین روش دیگری برای رفع هر دو مشکل مورد بررسی قرار گرفت . در
این روش نانو لوله ها به طور مستقیم و با استفاده از اعمال یک میدان الکتریکی بر روی زیر
ساخت رشد د اده می شوند . در این حالت جهت رشد نانو لوله هادر طی فرآیند نشست
بخار شیمیایی با استفاده از اعمال میدان الکتریکی قابل کنترل خواهد بود در واقع نانو لوله
ها همانند یک دو قطبی محوری در حضور میدان الکتریکی در یک جهت مرتب می شوند .
بدین ترتیب می توان لوله ها را بین دو الکترود فلزی که بر روی یک زیر ساخت سیلیکونی
قرار دارند رشد داد .
.
شکل 11 تولید - CNTFET با روش self-assemble
4 چالش های - CNTFET ها
با وجود توسعه و گسترش پژوهش ها درباره ی ترانزیستورهای نانو لوله ی کربنی،
چالش های بسیاری فرا روی پژوهشگران الکترونیک به منظور جایگزینی ترانزیستورهای
سیلیسیومی با این نانو ترانزیستورها وجود دارد. اولا هزینه ی ساخت نانو لوله های کربنی
گران است و تولید آن در مقیاس زیاد هم به فناوری پیشرفته و هم به هزینه ی بسیار
نیاز دارد. ثانیا خواص نانو لوله های کربنی بسیار وابسته به فرآیند ساخت است و
تغییرات اندکی در فرآیند ساخت موجب تفاوت های بسیاری در خواص آن ها می شود. لذا
اگر چه ترانزیستورهای نانو لوله ی کربنی به صورت منفرد ساخته شده اند، اما قرار گرفتن
آن ها در مدارات الکترونیکی مستلزم تلاش ها و پژوهش های بسیاری است .
5 جمع بندی و نتیجه -
ترانزیستورهای اثر میدان نانو لوله کربن (CNTFET) شاید مناسب ترین گزینه برای
جایگزینی ترانزیستورهای اثر میدان (FET) سیلیکونی به عنوان قطعاتی که در حجم بالا
برای ساخت مدارها مورد استفاده قرار می گیرند باشند . البته سخن گفتن را جع به نقش
ترانزیستورهای نانو لوله کربن در سیستم های الکترونیکی آینده شاید کمی زود باشد اما
مطالعه بر روی این قطعات زمینه ای را فراهم می کند که موجب افزایش شناخت و توسعه
فناوری در زمینه مفاهیمی چون ارتباط و اتصال دهنده ها ، انتقال دهنده ها و همچنین
سایر قطعاتی که برای فناوری الکترونیک مهم تلقی میشوند.
با توجه به بحث های فوق ، مشکلاتی که در ساخت مداراتی درابعاد کوچک تر با مواد و
فناوری کنونی وجود دارد استفاده از فناوری های جدید در ساخت ترانزیستورها را به
یک امر ضروری تبدیل می کند . استفاده از نانو تکنولوژی و الکترونیک مولکولی و CNT
در ساخت ترانزیستور ها یکی از روش ها است و مزایای زیر را در پی خواهد داشت :
• کاهش ابعاد ترانزیستورها بدون افزایش نشت جریان
• کاهش توان مصرفی تراشه ها و کاهش دمای ایجاد شده که یکی از مشکلات کوچک
شدن سطح ترانزیستورهای سیلیکونی بود به دلیل خواص حرارتی مطلوب CNT ها.
• کاهش هزینه های تولید به سبب جایگزینی تکنیک های self-assemble
مولکولی به جای روش های پر هزینه لیتوگرافی الکترون - پرتو و یا لیتو گرافی نوری و
همچنین دمای پایین تر در حین فرآیند تولید .
• عملکرد نزدیک به حالت بالیستیکی CNT ها که از پراکندگی حامل ها و نشت جریان
جلوگیری می کند .
• آسان تر شدن پیاده سازی ترانزیستورها به خاطر ساختار دو بعدی ماده سازنده CNT
،گرافن ، به جای ساختار سه بعدی بلور سیلیکون.

مراجع
-1 حسینی علی اصغر،رحمانیان حمید،"دنیای نانو"،جلد اول،زمستان 1306
2 گروه علمی دانشجویی نانو فناوری دانشگاه کاشان،"در آمدی بر نانو فناوری - -
خشک"،چاپ اول پاییز 1304
3 فرشیدیان فرد انوشیروان،دلیر حمید،شایان سارا،"سنتز،خواص مکانیکی و کاربردهای نانو -
لوله های کربنی"،مشهد دانشگاه فردوسی، 1301
4 رحمانی اهرنجانی رامین،قربان پور آران علی،شکروی مریم،"مقدمه ای بر نانو -
فناوری"،تهران نشر کتاب دانشگاهی، 1300
[5] Paul L McEuen, “single-wall carbon nanotube”, physics
world journal, pp. 31-36,june 2000
[6] Matthew S.Marcus, J.M.Simmons, O.M.Castelini,
“photogating carbon nanotube transistor”, American institute
of physics, 2006.
[7] Tulin Mangir , “integrity and integration issues for nano-tube
based interconnect systems”,college of engineering CSULong
Beach,2005
[8] ECE497NC lecture 14 , “carbon nanotubes and nanotube
transistors”, 2004
[9] Jing Guo, Siyuranga O. Koswatta , Neophytos Neophytos,
Mark Lundstorm , “CNTFETs ”,2006
[01] Steve jurvetson,“transcending Moore's law with molecular
electronics and nanothechnology”,2004
[00] George Lawton, “the next big thing in chipmaking”,
thechnology news journal, pp.18-20,April 2007
[01] Ethan Davis Minot,“tuning the band structure of
carbonnanotubes”,Comell University,2004