Hiilinanoputkien käyttö transistorikomponenteissa : hiilinanoputkinäytteiden laadun parantaminen, transistorikomponenttien valmistus sekä niiden sähköiset ominaisuudet

Abstract

Puolijohdeteollisuuden kantavana voimana on alusta saakka ollut mikroprosessorien laskentatehon jatkuva kasvu, minkä on sallinut valmistusmenetelmien alituinen tehostuminen. Erityisen merkittävässä osassa on ollut yksittäisten transistorikomponenttien koon pienentyminen, sekä niiden pinta-alatiheyden kasvu substraatilla. On kuitenkin tunnustettu tosiasia, että sama kehitys ei voi jatkua enää pitkään, sillä jo nyt toimitaan nykyisten valmistusmenetelmien fysikaalisilla äärirajoilla. Suotuisan kehityksen turvaamiseksi on siis välttämätöntä ottaa käyttöön kokonaan uusia menetelmiä ja materiaaleja.

Tutkielmani liittyy hiilinanoputkien (carbon nanotubes, CNTs) käyttöön sähköisissä komponenteissa, erityisesti kanavatransistoreissa (Field-Effect Transistors, FETs). Hiilinanoputkilla on mekaanisen stabiilisuutensa ja kemiallisen inerttisyytensä lisäksi useita hyödyllisiä sähköisiä ominaisuuksia, joiden vuoksi niillä uskotaan olevan merkittävä sovelluskohde transistorikomponentteina. Itse komponenttien valmistuksesta on viime vuosien aikana tullut tutkimuksessa rutiininomaista työtä, ja alalla on yleistynyt suuntaus jossa hiilinanoputket valmistetaan suoraan muutoin valmiiseen komponenttiin. Kuitenkin myös ennalta valmisteltuja hiilinanoputkidepositioita käytetään edelleen runsaasti. Tällöin merkittäväksi nousee deposition puhtaus.

Tässä tutkielmassa käsittelen kehittämääni hiilinanoputkinäytteiden puhdistusmenetelmää, jonka uskon olevan avuksi hiilinanoputkitransistoreiden valmistuksessa. Liikkuvien vesirajapintojen vuorovaikutukseen pinnan partikkeleiden kanssa perustuvalla, yksinkertaisella menetelmällä voidaan parantaa hiilinanoputkinäytteiden laatua poistamalla niillä olevia pallomaisia roskapartikkeleja niin, että näytteelle vielä kuitenkin jää runsaasti hiilinanoputkia. Esittelen tässä menetelmän soveltamiseen tarvittavan järjestelyn, sekä puhdistuskokeiluissa saamani tulokset sen soveltuvuudesta käytäntöön. Käy ilmi, että menetelmällä voidaan tehokkaasti parantaa hiilinanoputkinäytteiden laatua, erityisesti monikerroksisista hiilinanoputkista koostuvien depositioiden. Lisäksi menetelmää voitanee soveltaa nanopartikkeleiden puhdistamiseen pinnoilta myös yleisesti.

Itse puhdistusmenetelmän kuvailun lisäksi annan yleisen johdannon hiilinanoputkiin, sekä erityisesti niiden sähköisiin ominaisuuksiin. Tämän lisäksi käsittelen partikkeleiden adhesiota pinnoille teoreettisesta näkökulmasta. Motivoidakseni edellä mainittua puhdistusmenetelmää käsittelen myös hiilinanoputkipohjaisia transistoreita, ja pyrin selventämään, miltä osin ne poikkeavat perinteisistä puolijohdetransistoreista. Lisäksi esittelen hiilinanoputkitransistoreiden valmistusta laboratorio-olosuhteissa, sekä niiden sähköisten ominaisuuksien kokeellista määrittämistä.