عنوان پایان‌نامه
کنترل گسیل میدانی نانو لوله های کربنی با استفاده از نانو ساختارهای ناهمگون دی اکسید تیتانیوم-نانو لوله های کربنی
- دانشجو
- فاطمه براتی
- رشته تحصیلی
- علوم و فناوری نانو - نانو فیزیک
- مقطع تحصیلی
- کارشناسی ارشد
- محل دفاع
- کتابخانه مرکزی -تالار اطلاع رسانی شماره ثبت: 55090
- تاریخ دفاع
- ۲۷ شهریور ۱۳۹۱
- چکیده
- در این پروژه، سیستمی جدید، مرکب از نانولوله های کربنی- دی اکسید تیتانیوم را ساخته ایم که مناسب برای نانولیتوگرافی و ساخت ترانزیستورها است. از اندازه گیری های الکتریکی و بررسی منحنی های به دست آمده مشخص شد که این قطعه خاصیت یکسوکنندگی از خود بروز می دهد و این خاصیت به علت برقرار شدن پیوند p-n بین نانولوله های کربنی و دی اکسید تیتانیوم می باشد. اساس کار این قطعه بر پایه ترانزیستورهای پیوندی اثر میدانی و گسیل میدان از نانولوله ها است، و در حقیقت نمودارهای به دست آمده از قطعه وجود این اثر را بروز می دهد. نانولوله های کربنی نقش کانال این ترانزیستور را بازی می کنند و برخلاف بقیه ترانزیستورهای بر پایه نانولوله ها، به صورت عمودی در بین لایه های ترانزیستور قرار می گیرند. دی اکسید تیتانیوم نقش گیت ترانزیستور را بازی می کنند. رشد نانولوله های کربنی بر روی زیرلایه سیلیکونی با استفاده از روش لایه نشانی با بخار شیمیایی بهبود یافته با پلاسما انجام گرفت. با اعمال یک میدان الکتریکی در حضور پلاسما رشد جهتمند این نانولوله ها فراهم شد. بعد از رشد نانولوله های کربنی ،یک لایه اکسید عایق مثل اکسید سیلیسیوم روی آن لایه نشانی کردیم. این لایه نقش عایق را داشته و ارتباط بین الکترود متصل به نانولوله ها از طریق بستر سیلیسیومی و لایه های بعدی را قطع می کند. نانوساختار بعدی مورد استفاده در ساخت این قطعه دی اکسید تیتانیوم می باشد که در این پروژه از فاز آناتاز آن بهره برده ایم. این فاز از دی اکسید تیتانیوم رفتار نیمرسانایی نوع n از خود بروز می دهد. مرحله بعد سنتز نانوذرات دی اکسید تیتانیوم در فضای بین و روی نانولوله ها است. نانولوله های رشدیافته به صورت عمودی با استفاده از سیستم لایه نشانی با بخار شیمیایی تحت فشار اتمسفر توسط TiO2 مدفون شدند. با صیقل دادن مکانیکی این ساختار، گسیل میدانی از نانولوله ها محقق شد. قطعه آماده شده نقش کاتد را ایفاء می کند. برای اعمال میدان از بالا به الکترون های موجود در داخل کانال، یک صفحه را آغشته به فوتورزیست کردیم که نقش آند را به عهده داشت. ولتاژ مثبتی به آند اعمال می کنیم تا به الکترونها نیروی رو به بالا وارد کرده و به سمت آند حرکت کنند. با قرار دادن سه الکترود متصل به نانولوله ها، دی اکسید تیتانیوم و آند ترانزیستور را طراحی کردیم. با اعمال ولتاژ در بایاس معکوس به آن، عرض ناحیه تهی واقع در کانال را تنگ تر و تنگ تر کردیم تا باریکه های الکترونی با قطرهای متفاوت را ایجاد کنیم و نهایتاً به یک قطر نانومتری از کانال برسیم. در این حالت، می توانیم از این قطعه به عنوان یک قلم نانومتری برای طراحی بر روی صفحات آغشته به فوتورزیست استفاده کنیم. در این پروژه به بررسی تصاویر میکروسکوپ الکترونی روبشی از باریک شدن قطر کانال و طراحی به وسیله آن پرداخته ایم. این تصاویر محل برخورد الکترون ها به آند را نشان می دادند. نتایج به دست آمده نشان داد که می توانیم با اعمال ولتاژ مناسب به دی اکسید تیتانیوم، به نقاط با اندازه کمتر از 30 نانومتر هم برسیم. اندازه گیری های الکتریکی از این قطعه قابلیت چنین ساختارهایی را برای ساخت ترانزیستورهای اثر میدانی بر اساس گسیل میدانی تأیید می کند. با اعمال ولتاژ بین گیت و الکترود کاتد، جریان گسیلی از نانولوله ها افت قابل توجهی می یابد که نشان دهنده کنترل مناسب گیت بر روی جریان گسیلی است. تمامی مشاهدات و اندازه گیری ها بر روی قطعه در این پروژه به صورت تجربی و مدل سازی بررسی شد و هر دو دیدگاه ما را به یک نتیجه رهنمون کرده اند.
- Abstract
- In this thesis, we report the fabrication of a novel titanium dioxide (TiO2) / carbon nanotubes (CNTs) based field emission device suitable for nanolithography and fabrication of transistor. Electrical measurements of the device clearly show a rectifying behavior. This property is due to the formation of a p-n junction CNTs and TiO2. The fabrication of this device is based on junction field effect transistors and electric field emission from carbon nanotubes, a fact that our experimental measurements confirm. The carbon nanotubes playing the role of the channel and, unlike the previous transistors based on carbon nanotubes, lie vertical between the transistor electrodes. TiO2 acts as the gate of this device. The growth of carbon nanotubes is performed on silicon substrates using plasma-enhanced chemical vapor deposition method. An electric field was used to grow well aligned carbon nanotubes on the substrates. Subsequently, an insulator layer, such as silicon oxide, is deposited on it. This insulator layer omits any contacts between the electrode attached to CNTs and other layers through substrate. The other nanostructure used in this project is TiO2 in anatase phase. This phase of TiO2 has n-type semiconducting behavior. In this step, we deposited TiO2 on and between CNTs using an atmospheric pressure chemical vapor deposition system, such that the vertically grown CNTs are encapsulated by TiO2. Field emission from the CNTs is realized by mechanical polishing of the prepared structure. This part of the device acts as cathode. We now need a photoresist coated plate acting as anode to apply electric field to electrons. The final stage of the transistor design is depositing three electrodes on CNTs, TiO2 and anode. We narrowed down the channel of the device by applying different voltages in reverse bias to the gate to create electron beams with different diameters, and finally achieved a nanometric diameter of the channel through which electrons transport. Possible application of such nanostructures as a lithography tool with variable electron beam diameter has been investigated. Scanning electron microscopy images verified this subject, and we were, in fact, able to see the spot of electrons hitting the photoresist coated anode. The obtained results show that spot size of less than 30 nm can be obtained by applying a proper voltage on TiO2 surrounding gate. Electrical measurements of the fabricated device confirm the capability of this nanostructure for the fabrication of field emission based field effect transistor. By a voltage applied between the gate and the cathode electrode, the emission current from CNTs shows a significant drop, indicating proper control of gate on the emission current. The device is studied theoretically too, the results of which agree well with the experimental ones. Key words: nanolithography, rectifying, junction field effect transistors, gate control.
