文摘

高接触电阻限制了碳纳米管(碳纳米管)的应用场效应晶体管(fet)的制造。因此,重要的是要减少接触电阻和调查的关键影响因素,如接触力和接触长度。本研究使用纳米操作描述电阻和力量在CNT /非盟side-contact接口在扫描电子显微镜(SEM)。双端问操纵方法和模型计算阻力和接触面积的力量,提出了指导总电阻的测量实验和悬臂梁的弹性变形。实验结果表明,CNT /非盟界面的接触电阻很大时(189.5 kΩ)范德华力(282.1 nN)占据了界面接触力。Electron-beam-induced沉积(EBID)然后进行降低接触电阻。EBID存放7分后,电阻下降到7.5 kΩ,至少增加到1339.8 nN和力量。阻力和力在问的接触面积是固定的展览负指数相关EBID之前和之后。这种相关性与先前报道的好协议验证该机器人系统和方法描述了接触电阻和力量。

1。介绍

扩展的时代硅场效应晶体管(fet)更小尺寸即将接近尾声。替代硅、碳纳米管(碳纳米管)收到感兴趣因为他们优秀的机械(1,2)、电气(3,4),和热性能5]。多种CNT-FETs伪造,如back-gated [6],top-gated [7],gate-all-around [8]。然而,高碳纳米管和排水管/源金属电极之间的接触电阻限制CNT-FETs由于不同功函数的性能。这是一个挑战,降低接触电阻,阐明影响因素,如接触长度和在界面接触力。

接触电阻是通常从碳纳米管之间的总电阻和电极,而不是直接测量实验。一个典型的测量总电阻(9CNT)最初涉及分散在硅晶片解决方案包含一个电极。一旦碳纳米管电极对架桥,跨两个终端的总电阻测量。这种方法很容易进行,但一双问连接电极的可能性是高度不确定的。双向电泳(DEP)技术改进问桥接过程的可控性10]。桥接可以通过使用一个小数量的碳纳米管,碳纳米管与特定属性甚至可以选择之前组装。然而,DEP监管过程需要很多参数,如强度、频率和持续时间的应用静电场11,12]。很难完全控制这些参数来实现所需的具体接触条件,例如,一个特定的接触长度。Micronanomanipulators取得广泛应用在电子工业和生物医学近几十年来,比如与双轴独特的微力传感器(13)和nanomanipulators基于原子力显微镜(AFM) (14]。他们承诺目标的可控性好。在我们之前的工作中,我们成功地使用nanorobotic操纵者在SEM开发individual-CNT-based nanoposition传感器检测的临近,触摸,和滑动的位置(15]。nanorobotic操纵的可控性提供了一种有效的方法来灵活调整个人问的接触长度。

减少接触电阻,许多技术进行了研究。据报道,焦耳加热被王等有效。16]。他们获得了低欧姆接触电阻为700Ω之间微问(MWCNT)和钨(W)表面。快速热退火30年代在600 - 800°C被李et al。17]。他们获得了0.5的接触电阻-50 kΩ问和非盟之间。这样的进步是显著的,但这些技术被强烈的放热有限接触连接,含铅差控制的接触面积/几何。聚焦离子束诱变沉积(如上)可以提供良好的空间和时域控制各种材料的化学汽相淀积(18]。它是用来形成原位接触在问设备(19与钨,如上了欧姆接触与碳纳米管(20.,21]。然而,在长期观察时间聚焦离子束受损的碳纳米管。Electron-beam-induced沉积(EBID)同样适用,但以最小的损伤问。例如,金等人与碳EBID使用降低接触电阻(22],Brintlinger等人与黄金EBID使用达到10 kΩ[的接触电阻23]。

已经取得了很大进展测量和降低接触电阻。然而,重要的是还调查关键影响因素如金属功函数和润湿性,接触长度,或接触面积,以及接触力。功函数和润湿性的影响,研究了通过对互联电网问14种不同金属(24]。接触长度的影响被激光烧蚀研究固定问直径(25)和通过silicon-compatible测试结构的小范围问直径(26]。至于接触力,Greenwood和威廉姆森研究名义上平坦的金属/金属表面之间的接触(27),和实验结果暗示一个简单的法律,在那里接触电阻和接触力。基于我们之前的研究中,力之间的连接问/ CNT路口被证实是由范德华力、EBID修复力,分别和化学结合力(28,29日]。此外,我们量化的范德华力问/金属end-contact接口通过测量探针挠度(30.]。然而,清楚地了解接触力的CNT /金属side-contact接口仍然是难以捉摸的。此外,我们所知,没有研究发现其与接触电阻的关系。

两端的方法来描述在本文中,我们目前的接触电阻CNT /金属side-contact接口和调查接触力通过使用nanorobotic系统内部场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)。这种方法允许单独操纵,碳纳米管及其优势在不同任意原位接触长度相比典型four-probe测量(17,31日CNT)显示了一个可控桥接过程总电阻的测量。EBID进行来进一步控制钨存款的接触面积,显著降低接触电阻,这产生了一个与潜在应用半导体nanodevices问的强烈支持。此外,nanorobotic系统是用来测量和分析的力量MWCNT /非盟side-contact接口EBID之前和之后。它提供了深入的接触力和接触电阻之间的关系。

2。系统配置和方法

这里使用机器人系统有两个nanomanipulators FE-SEM内装置测量总阻力和描述问/非盟的力量side-contact接口。双端问操纵方法和计算模型被开发来获得接触电阻和接触力。

2.1。系统配置

双端法获得的接触电阻CNT /非盟接口,所以带双臂机器人系统配置基于FE-SEM装置(地产- 6500 f, JEOL),示意图如图所示1。两个机械手是由picomotors(8301 -特高压,新港)- - - - - -- - - - - -方向的分辨率30 nm。两个AFM悬臂覆盖层的非盟(OMCL-TR400PB-1,奥林巴斯)安装在机械手末端效应器。MWCNT森林由弧电荷方法放置在样品阶段。六羰基钨(W (CO)₆、MKBR3026V SIGMA-ALDRICH)被引入到样品室与钨作为EBID的前兆。visual-based力反馈系统开发的机器人系统实时操作(没有显示在图1)。

AFM悬臂能够被安装在不同的方向来实现不同的任务。水平固定两个AFM悬臂允许总电阻测量,如图2。改变一个悬臂的方向垂直方向允许接触力的特点,如图3(一个)。

2.2。接触电阻的计算模型

图2显示一个问桥接两个AFM悬臂梁用于获得side-contact MWCNT和非盟电极之间的电阻。两者之间的总电阻测量悬臂梁通过连接与源测量单元(型号6430,吉时利)在FE-SEM装置。

形成了桥一个问,问最初被操纵者1 (M1)的帮助下EBID [32]。这个问是对机械手进行对悬臂2 (C2) 2 (M2)和重叠悬臂C2一些任意长度我们的愿望。作为M1慢慢向下移动,距离足够小的问和悬臂C2结果问被吸引非盟悬臂C2表面范德华力。两个悬臂梁之间的总电阻是衡量模型6430,吉时利。EBID钨(W)能够沉积在CNT /非盟接口减少接触电阻与接触面积2 (A2)。

如图2,总阻力两个悬臂来源于以下方程: 在哪里和问的初步抗性/非盟一边联系之前EBID A1和A2在接触区域,分别,的抗性A1和A2 EBID之后,,EBID后阻力系数的变化,和EBID存款的数量在A1和A2,然后呢是问阻力。

能够获得直接从源测量单元。是一个常量阻力,因为接触条件A1是恒定的,只要选择问,拿起。在这个例子中,我们定义的。等于电阻率的产物和长度。来自分裂EBID之前初步接触电阻率()问之间的接触长度和C2 ()[25]。在A2与钨EBID沉积后,阻力可以表达的。具体地说,由CNT /非盟的接触电阻,Au / W和W / CNT接口和W的抗性存款(33]。尽管阻力增加新添加的接触电阻引起的非盟/ W和W / CNT接口和W的抗性存款,W沉积确保电气刚性接触中电子传递。因此,总阻力在A2却降低了。和可以通过控制改变吗和。因此,在当前的研究中,接触电阻是指在A2。

假设问样品是没有缺陷和沿着问轴一致,那么可以来源于以下(1):

当,任意改变通过控制M1和M2将导致不同的值。分析在不同情况下的收益率和EBID之前。此外,和EBID后可以通过分析不同值的计算测量与增加当是固定的。

2.3。接触力的计算模型

机械和电气接触条件是应用接触力的影响。因此,监测CNT /非盟的力量接触是必要的。基于测量的总电阻部分的方法2.2问的力量/非盟一边联系包括来自两种力量。一个是有吸引力的范德华力在问/非盟EBID之前接口。其他力量的修复力量EBID存款。静电力是省略了自从问和AFM悬臂停飞。

量化接触力,悬臂梁弹性变形4 (C4)旨在衡量,它来源于两种力量在问/非盟接口。原理和操作策略示意图如图所示3。机器人系统还包含两个悬臂C3和C4。M1 C3水平有限,而C4垂直面向的是平方米,如图3(一个)。C3是用来接一个MWCNT问森林。然后可以选择问接触的C4通过范德华力(),如图3 (b)。良好的接触后,C3的移动设在,C4从而经历了弹性变形,如图3 (c)。增加的C4的弹性恢复力变得比,它会导致问释放和C4原位复苏,如图3 (d)。

显然,悬臂C4两种力量:一个是范德华力在问/非盟接触界面,另一个是弹性弹性变形所产生的弹性力。根据力平衡的法则,范德华力单位接触长度()方法如下: 在哪里是范德华力,是问/非盟对C4接触长度,C4的弹簧常数,目前的最大变形CNT的释放。

同样的,当EBID存款形成CNT /非盟接口的C4,总力(),包括来自EBID和修复力()表示为

每个EBID存款的修复力()是 在哪里EBID存款的数量。

3所示。实验结果和讨论

在本节中,总电阻测量不同接触长度()和增加EBID存款的数量()。A2的接触电阻计算通过分析这些测量总电阻使用上述提出的计算模型。范德华力和EBID修复力在问/非盟接口也调查了通过测量C4的变形。

3.1。实验材料

MWCNT森林用于这些实验被电弧形成的充电方法。他们的长度是20 ~μ米,直径是20 - 50 nm。图4显示这些MWCNT的SEM和TEM图像样本。

每个悬臂芯片(OMCL-TR400PB-1)是两个不同长度的水平。100年和200年μ米长的水平弹簧常数的0.09和0.02 N / m,分别。非盟涂层厚度是40 - 50 nm。

3.2。实验条件

(1)扫描电镜室的压力大约是10⁻⁴Pa。(2)电子束电流为0.01 nA。(3)加速电压是10 kV。(4)平均每分钟长度的沉积EBID点37海里/分钟的时候使用W (CO)₆,其最大直径约100海里。

3.3。接触电阻的结果

较长,直问是问森林的目标。悬臂C1被EBID联系问控制的固定,然后来接的问。这个过程如图5(一个)和5 (b)。选择问的直径是28 nm,和接触长度是940海里。五个EBID点沉积,沉积时间3分钟。然后,我们作为选择问C2接触长度0.43μ米,如图5 (c)。接触长度是一个视觉确定长度后我们确认问牢牢地联系与非盟在A2表面。桥接问后,电子束被关闭以避免辐照问的电接触/非盟接口(33,三分钟后,我们测量的总阻力两个悬臂通过使用源测量单元。单元生成扫描电压,和电脑记录当前通过问。为了避免不必要的加热效果,电压是约束0 - 0.2 V,和它的步长为0.002 V。图5 (d)显示,测量曲线,平均总阻力kΩ。这个测试后,电子束被打开,C1感动,问从C2被释放,然后允许形成一个新的接触接触长度。那时总电阻测量一次。这个过程进行了四次。在四个测试中,每个接触长度的价值分别产生不同的总电阻,而问电阻率和接触电阻率是常数。基于(2),我们可以获得这些参数列在表中1。表1表明一个更大的接触长度导致较低的接触电阻。1.34的接触长度μ189.5 kΩ的m导致接触电阻。然而,这个结果仍远高于理想值。从理论上讲,接触电阻是由量子限制,在理想的情况下接触,每问6.45 kΩ占两个传导渠道壳(9]。EBID技术被应用于减少阻力。

修复接触长度在1.34μm, EBID点(每3分钟沉积时间)沉积在问在A2 /非盟接口。沉积点的数量范围从1到7,和相应的总电阻测量电子束是后每个EBID存款。实验结果如图6。因为图像增加EBID点的数量是非常相似的,图片没有显示在图2 - 6 EBID点6。的曲线在图6 (b),6 (d),6 (f)是线性的,表示每个测试的欧姆接触。从这些总电阻了曲线,表中列出2。电阻在A2 EBID后然后计算使用(2),接触电阻7.5 kΩ后终于获得了七个EBID存款,这是在良好的协议与先前报道的理论价值和实验值在[17,23]。相比之下,初步接触电阻189.5 kΩ(在A2),阻力下降了96.0% ()。

3.4。接触力的结果

我们首先测试了范德华力问和非盟的一面接触EBID之前在这一节中。后一个MWCNT(外径25海里)C3回升,这是搬到逐步方法C4在垂直方向,如图7(一个)。然后问吸引力非盟表面接触的一面与接触长度如图7(b)和M1开始向左移动。C4 C3和生成一个弹性变形后也如图7(c)。最后,时问了范德华力成为不到C4的恢复力,如图7(d)。这个过程的录像是用来测量。四个测量进行了总结了结果数据表3。使用(3),单位接触长度(范德华力),然后计算。的值4测量是208.9,209.7,222.4和200.8 nN /μ米,平均是210.5 nN /μm。为了验证这一结果,理论计算值,Hamaker常数是12.46×10⁻²⁰J [34),问的外径25 nm,问和非盟表面之间的距离被假定为0.5 nm。计算的结果220.1神经网络/μ米,与上述实验结果。这个验证该方法用于测量CNT /非盟的力量联系。

总力有一个EBID存款类似的测量。从悬臂挑问C3桥梁悬臂C4的金字塔尖,如图8(一个)。一个EBID点当时沉积在修复问的接口。问后两悬臂桥接的原始状态如图8(b)。悬臂C3感动,并成立了一个在C4图产生的变形8(c),问正在紧张在这个过程中,最终打破了中间的图8(d)在其应力极限超越。四个测试进行了实验数据的记录和测量在表4,测试1和测试2使用相同的问样品,和测试3和4两个进一步的样品使用。此外,接触长度测试2表近似为零4因为只有问端点接触非盟悬臂的表面。所有的问样本打破在这个实验中,我们只能估计总接触力的价值范围内,而不是获得一个精确值。实际上,接触力在EBID强大到足以提高电气刚性接触在问/非盟接口和减少阻力通过提高电子传递。考虑到悬臂提示70°角,这四个测试的总力超过96.2,151.1,183.1,和179.4神经网络,分别。由此产生的值计算使用(5),超过66.7,151.1,130.5,和80.5神经网络,分别。

EBID,用来减少接触电阻在这项研究不仅控制接触面积的大小,但也增加了接触力。接触面积和接触力的大小和形状密切相关EBID存款,这反过来受到许多因素的影响,如入射电子束能量和位置。这项研究集中在调查一个有效的方法来测量接触电阻和接触力以及它们之间的关系。因此,所有的影响因素的大小和形状EBID存款在这些实验中保持不变。在这一点上,四个测试值理论上应该具有可比性。在这些值较大的偏差是由于不同的破坏位置和不同问样品的拉伸应力。我们的结论是,> 151.1神经网络。

另外,根据我们以前的工作,修复力在问/非盟接触面积增加了超过30年代电子辐照时接触面积被放大30000倍(30.]。因此,所有的测试测量的力在本研究进行了一个较小的放大(小于10000次)。以防更大的放大倍数为确认问和非盟表面之间的接触条件,观察通常花了不到30年代减少电子辐照尽可能多。

3.5。阻力之间的关系和问的力量/非盟方面接触

表1显示不同的接触长度的接触电阻EBID之前,范德华力的单位接触长度(210.5神经网络/μm。因此,在EBID接触力(即。,the van der Waals force) in the four tests was calculated to be 90.5, 147.4, 235.8, and 282.1 nN. Furthermore, since> 151.1 nN,总力在问/非盟七EBID存款后接触面积> 1339.8神经网络。其他情况下表进行了总结5。的接触电阻和力EBID表之前/之后5安装在一个非常简单的比例吗,如图9。从图9小,接触电阻与接触力增加。这是解释为接触电阻的接触面积成反比,而与接触力增加接触面积变大。此外,图9获得了通过设置= 151.1神经网络拟合的便利。这个设置的拟合指数的影响,如果能够获得的被设置为300神经网络。增加到1500年神经网络产生了。因此,接触电阻是negative-exponentially与接触力有关。这种negative-exponentially关系是类似报道(27),(35),这证明了我们的方法的有效性。

4所示。结论

本文报道nanorobotic系统包含两个机械手在SEM装置。这个系统允许之间的接触电阻和力MWCNT, Au-coated悬臂测量EBID之前和之后。实验结果显示189.5之前kΩEBID的接触电阻,电阻下降7.5 kΩ7 EBID存款。接触力在CNT /非盟接口EBID测量210.5 nN /μm和增加了> 151.1 nN EBID点。拟合实验数据得出了负指数关系的阻力和接触面积,与先前的报告和良好关系的协议验证该方法。在未来,我们的机器人系统将扩展到研究碳纳米管和其他金属之间的接触和制造nanodevices CNT-FETs结合EBID等。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持部分由中国国家自然科学基金(国家自然科学基金委)批准号。61433010,61375108,61603044,北京市自然科学基金资助4164099。