Liquid-phase alkali-doping of individual carbon nanotube field-effect transistors

Abstract

Hiilinanoputket ovat todella herkkiä niiden lähiympäristössä tapahtuville muutoksille, joten niiden virrankuljetusominaisuuksia pystytään suhteellisen helposti muokkaamaan. Aromaattiset molekyylit esimerkiksi vuorovaikuttavat hiilinanoputken kanssa pii-pii -vuorovaikutusten välityksellä, jolloin molekyylien ja hiilinanoputken välillä voi tapahtua varausten siirtoa. Varausten siirtyminen taas muuttaa hiilinanoputken Fermi-tasoa ja vaikuttaa putken virrankuljetusominaisuuksiin. Myös atomeja voidaan kiinnittää hiilinanoputken seinämiin esimerkiksi sähköstaattisten vuorovaikutusten avulla, jolloin varausten siirron ja Fermi-tason muutoksen myötä putken virrankuljetusominaisuudet muuttuvat. Näiden esimerkkien kaltaista hiilinanoputkien sähköisten ominaisuuksien kemiallista muuttamista kutsutaan tavallisesti ”douppaukseksi”. Hiilinanoputkitransistorit, joiden elektrodit on tehty tavanomaisista metalleista, kuten kullasta tai palladiumista, ovat yleensä p-tyyppiä. Douppaus on yksi keino saada myös n-tyypin hiilinanoputkitransistoreja, joita tarvitaan loogisissa piireissä. Höyrystettyjä alkalimetalleja on yleisesti käytetty hiilinanoputkitransistoreiden n-tyypin douppaukseen, ja muutos p-tyypistä n-tyyppiin on vahvistettu hiilinanoputken virrankuljetusominaisuuksia mittaamalla. Samankaltaisia suoria sähköisiä mittauksia ei ole ennen tehty yksittäisille hiilinanoputkille, jotka on altistettu liuosfaasissa olevalle alkalimetallille. Tästä johtuen tämän gradun päätarkoitus oli tutkia liuosfaasissa olevan alkalimetallin douppausvaikutuksia yksittäisten hiilinanoputkien virrankuljetusominaisuuksiin. Alunperin puhtaasti p-tyypin hiilinanoputkitransistorit havaittiin muuttuvan puhtaasti n-tyypin transistoreiksi, jotka myös säilyttivät melko hyvin alkuperäiset ominaisuutensa, kuten esimerkiksi ON/OFF -suhteensa ja hilariippuvaisen virran kulmakertoimensa transitioalueella. Hiilinanoputkitransistorit ovat erittäin lupaavia pohjarakenteita nanosensorisovelluksille johtuen hiilinanoputkien herkkyydestä lähiympäristön muutoksille. Tutkimuksen toisena tavoitteena oli löytää douppausprosessin aikariippuvuus ja näin ollen testata hiilinanoputkitransistorin toimintaa nanosensorina. Sopivalla alkaliliuoksen laimennoksella hiilinanoputkitransistori saatiin doupattua kokonaan muutamassa tunnissa ja alkalikationien tarrautuminen hiilinanoputken pinnalle havaittiin yli kolmen kertaluvun virran muutoksena.