专利名称：一种提高纳米材料电性能的方法
技术领域：
本发明涉及材料性能的提高，特别是涉及一种提高纳米材料电性能的方法。
背景技术：
硅材料质量的提高推动了微电子的发展，并使人们进入了一个信息时代。随着微电子技术的不断发展，硅材料越来越不能满足实际要求。英特尔公司30纳米晶体管的成功研制将使电脑芯片速度在今后5到10年内提高到目前的10倍，同时使硅芯片技术离物理极限更近一步。这种晶体管，厚度仅为30纳米，相当于三个原子叠加的厚度。这将可以在未来5到10年内生产出集成有4亿个晶体管、运行速度为每秒10吉赫兹、工作电压在1伏以下的新型芯片。而目前，市场上出售的速度最快的芯片“奔腾4代”集成了4200万个晶体管。当用硅制造的芯片不能更小时，碳纳米管很可能就是代替硅的最佳选择。在计算机小型化和节能化的研究方面，纳米碳管引起的科技进步将超出人们的想象。当硅场效应晶体管的栅长减小达到35纳米的临界尺寸时，其价格将不再随尺寸的减小而降低。预测在未来10到15年内，利用硅制造的芯片将很难变得更小，难以满足计算机发展对芯片大小和运行速度的要求。科学家们一直在进行研究，希望找到替代硅的物质。
碳纳米管是最有潜力的候选材料，它是由石墨卷曲而成的中空的圆柱体，两端由富勒烯半球封顶。根据卷曲的层数，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。碳纳米管是自然界中最硬的光纤，比钢铁还要硬10倍，而且碳原子具有高粘合性，不容易分离等特点。碳纳米管具有许多优异的性质，如高的力学强度、高的热学和化学稳定性，特别是其独特的电学性质，及碳纳米管可以具有半导体性和金属性，这取决于其结构参数。金属性碳纳米管可以承受极大的电流密度，半导体性碳纳米管可以通过电场调节实现开、关状态的转换。因此碳纳米管在电子电路上显示出非常好的应用前景。目前已经实现用碳纳米管制作基本的电子器件和逻辑电路，如二极管、晶体管、与或非门。基于碳纳米管的场效应晶体管在某些方面的性能已高于传统的基于硅的场效应晶体管。因而利用碳纳米管制备半导体晶体管和电路具有深远的意义，将引起信息技术，特别是微电子科学技术的重大变革和发展。碳纳米管在光电子方面也有重要的应用，在场发射方面的研究取得了很大的进展。目前已有一些公司正在利用碳纳米管的场发射制备显示器。
制备高性能的器件，无论是光器件还是电器件都需要质量优异的纳米材料。但高质量的纳米材料难以制备，目前广泛采用的制备方法有电弧放电法、化学气相沉积法、激光烧蚀法等，生产出来的纳米材料含有较多的杂质成分，并且难以分离，需要经过复杂的处理过程才能用于制作纳米器件。这会引入新的缺陷，处理过程对纳米材料本身也有损害，也影响了纳米材料器件的性能。另一方面，在纳米材料器件制备过程中也会引入新的缺陷，吸附氧气等气体分子。
下面以碳纳米管为例，说明目前纳米材料的性能提高的一般方法。
碳纳米管主要通过最外层导电，是一种表面型导电，而不是通常的体内导电。因此，吸附物对碳纳米管电传导性质有很大的散射作用。即使是一个杂质的散射，也会大大减少碳纳米管的电导。碳纳米管中的氧气可以作为施主杂质，提供空穴载流子。如将其除去，碳纳米管的性质将有较大改变。氧分子的除去会降低载流子浓度，减小电导。但碳纳米管载流子浓度的提高可通过其它方法来解决。比如(1)吸附物掺杂，(2)可控的化学掺杂，(3)栅压调控的电注入。吸附物的掺杂不易控制，而后两种方法可以有效的控制掺杂浓度。当碳纳米管中的吸附物，特别是氧气被除去后，可以通过后两种方法补偿因氧的除去而导致的载流子浓度的减少。所以，碳纳米管中吸附物的除去不会降低其电性能，反而会大大增加其电导。
碳纳米管的温度可由Collins等人[P.G.Collins，M.Hersam，M.Arnold，R.Martel，Ph.Avouris，Phys.Rev.Lett.物理评论快报86，3128(2001)]的估算公式给出Tp＝P×Length/(8K×Area)+293，其中P为碳纳米管的热功率，Length为碳纳米管在两电极间的长度，K为碳纳米管的热导，Area为碳纳米管的截面积。由于文献报道的碳纳米管的热导值差异很大，从25W/mK到3000W/mK，因此根据此公式只可大致估算碳纳米管中部的温度。
高温过程可以除去碳纳米管上的杂质或吸附物，改进碳纳米管的性质，这已被许多实验证实。Purcell等人利用焦耳热除去碳纳米管上的吸附物，得到稳定的场发射电流[S.T.Purcell，P.Vincent，C.Journet and V.T.BinhPhy.Rev.Lett.物理评论快报88，105502(2002)]。Llaguno等人将碳纳米管在1200K退火，发现退火过程使碳纳米管结构趋于晶化，结构更加完美[M.C.Llaguno，J.Hone，A.T.Johnson and J.E.Fischer，Electronic propertiesof molecular nanostructures分子纳米结构的电学性质CP 591，AmericanInstitute of Physics，2001，edited by H.Kuzmany et al p.384]。Krasheninnikov等人将离子引入缺陷的碳纳米管在1500K退火，发现缺陷数量有明显的减少[A.V.Krasheninnikov，K.Nordlund and J.Keinonen，Phy.Rev.B物理评论B 65，165423(2002)]。Andrews等人在高温下(1600℃-3000℃)退火，发现高温过程除去了碳纳米管上的残留的金属催化剂颗粒，减少了管壁上的缺陷[R.Andrews，D.Jacques，D.Qian and E.C.Dickey，Carbon碳39，1681(2001)]。这些都证明了高温处理过程能够提高碳纳米管的性能。
此外，Frank等人[S.Frank，P.Poncharal，Z.L.Wang and W.A.Heer，Science科学280，1744(1998)]将碳纳米管的一端作为扫描探针显微镜的针尖，另一端反复浸入水银中，经过几千次清洗之后，碳纳米管上的吸附物及无定形碳被除去，碳纳米管的电导增加，接近于量子电导值，清楚的呈现出量子台阶，电导量子化，说明碳纳米管的电学性能有了很大的提高，表现出弹道输运的性质。
这些方法虽然可行，但用碳纳米管来制作扫描探针显微镜针尖的过程很复杂，且只能提高某一根或几根碳纳米管的性质，不能大量快速的提高其质量。当处理过程温度太高时，样品损失率高，难以控制，且不能应用于单根碳纳米管或很少量的碳纳米管的性能的提高上。此外，现有的利用高温退火来提高碳纳米管性能的方法一般会引入新的缺陷，且易使碳纳米管的管壁破损，也会损失大量的碳纳米管，更严重的是，纳米管与基片会发生反应，如形成SiC等化合物。在工艺过程中碳纳米管中又会引入新的缺陷及新的吸附物，这也影响了碳纳米管的质量及电学性能。
其它纳米材料与上述碳纳米管一样，在采用上述方法提高电性能时也存在相同的不足。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种提高纳米材料电性能的方法，这种方法既能提高一根或少量纳米材料的质量，也能用于提高大量纳米材料的质量；既可除去纳米材料表面的吸附物，也可对纳米材料实行退火，提高晶化程度，减少缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提高纳米材料电性能的方法是将纳米材料置于两电极之间且两端分别与两电极相连，再将纳米材料和两电极构成的器件置于真空室中，在纳米材料两端施加电压。
所述电极为金属电极，包括Au、Ti、Pt、W、Co、Mo、Cr、Ni等金属及它们的合金，电极的厚度为1nm-1mm，电极间的间隔小于所选纳米材料的长度。
电极是在基片的绝缘层上制备的。基片的绝缘层为绝缘材料，包括SiO2及高介电常数材料。其中高介电常数材料包括Si3N4、A12O3、HfO2、Y2O3、La2O3、Ta2O5、TiO2、ZrO2、LaAlO2。绝缘层厚度为1nm-1mm。
电极的制备方法可以是，在基片绝缘层表面匀胶、曝光、显影和定影，然后，采用热蒸发、溅射、或电子束蒸发等方法沉积一层金属材料，经剥离、清洗后形成电极。
电极的制备方法也可以是，在基片绝缘层表面放置纳米材料，在纳米材料两端利用套刻的电子束光刻法制备两电极图形，利用热蒸发、溅射、或电子束蒸发等方法沉积一层金属材料，经剥离清洗后形成电极。在纳米材料与基片绝缘层之间可填充绝缘材料，此绝缘材料材料包括高介电常数材料。
电极的制备方法还可以是，在基片绝缘层表面上放上纳米材料，将一制备好的具有电极对形状孔的掩模板放于基片上且电极对的两电极孔分别与纳米材料束两端接触，采用热蒸发、溅射、或电子束蒸发等方法沉积一层金属材料，移走电极对形状孔的薄片即形成电极。
本发明中真空室的真空度高于1×10-2乇。
本发明在室温即可进行，也可运用于低温或高温情况，其高温不能高于电极材料在相应真空下的熔化、蒸发或挥发温度，也不能高于纳米材料的分解温度。
本发明在纳米材料两端施加电压时是逐渐增加电压，直到同时测量的电流-电压曲线出现饱和现象为止，或直到同时测量的微分电导随电压的增加开始减小为止。
当电压从零逐渐增加的时候，金属电极与纳米材料的接触将首先得到改善，然后在大电流下纳米材料的质量得到很大的提高。真空中纳米材料表面的吸附物由于通电流引起的焦耳热被去掉，同时由于高温对纳米材料的退火将减少其缺陷密度，也可以使纳米材料中的缺陷排列有序，从而提高纳米材料本身的质量。
与电极相连的纳米材料可以悬空置于两电极上，也可以直接置于基片表面绝缘层上，两电极金属层下，还可以两端埋于两电极金属层中。
本发明也可在基片的绝缘层上再覆盖绝缘材料，然后将与电极相连的纳米材料置于绝缘材料上。
所述纳米材料包括纳米管、纳米带和纳米线。其中纳米管可以是单壁纳米管或多壁纳米管，也可以是单根纳米管或多根纳米管。
所述纳米材料包括碳纳米管、硅纳米管、氧化钛纳米管、氧化锌纳米带、硅纳米线、铟砷纳米线、磷化铟纳米线。
本发明的提高纳米材料电性能的方法有三个基本条件(1)足够高的真空度；(2)通过纳米材料的电流足够大，纳米材料的耗散功率足够大；(3)通电流时间足够长。若真空度不够，残存的氧很容易在大电流下使纳米材料氧化，从而使纳米材料破损或使纳米材料被完全氧化。在足够高的真空度下，纳米材料表面的吸附物，能够容易的脱离纳米材料。通过纳米材料的耗散热功率足够大时，纳米材料局部温度上升得很高，起到了退火的作用。通电流时间越长，除去吸附物及实现退火作用的效果越明显。
在真空中纳米材料两端通电流可提高纳米材料电性能的原理如下(以碳纳米管为例)碳纳米管本身可视为一个电阻，由于碳纳米管本身带有一定的吸附物、杂质，缺陷较多，因此碳纳米管电阻较大。当碳纳米管上流过一定的电流时，碳纳米管上产生焦耳热，其耗散功率可表示为P＝I2R。由于焦耳热的产生，碳纳米管的温度会上升，并远远超过环境温度。对于低质量的碳纳米管，因其存在着大量的缺陷、杂质等，碳纳米管的热导率较低，产生的焦耳热不易扩散出去，因而低质量碳纳米管温度会上升得更高。尤其在对热传递及电输运起阻碍作用的吸附物及缺陷附近，局部温度更高，对碳纳米管起到局部高温退火作用。所以在真空中吸附物会脱离碳纳米管表面，由于退火作用，碳纳米管缺陷密度降低，或缺陷在碳纳米管中的排列趋于有序。碳纳米管导电是一种表面导电，电子在碳纳米管表面运动，表面上的杂质对其运动有较大的散射作用，所以即使是一个杂质的除去也会导致其电导的提高，因而可以通过监控其电流或电导的变化来判断碳纳米管电性能提高的程度。
本发明采用真空中通电流引起的焦耳热去掉纳米材料表面的吸附物，同时该过程对纳米材料有退火作用。对纳米材料的退火可以减少缺陷密度，也可以使纳米材料中的缺陷排列有序，从而提高纳米材料本身的质量。这种方法特别适合于提高单根纳米管、单根纳米线的电性能。较其它方法，该方法既能提高一根或少量纳米材料的质量，也能用于提高大量纳米材料的质量；既可除去纳米材料表面的吸附物，也可对纳米材料实行退火，提高晶化程度，减少缺陷。该方法具有操作简单、可控和应用广泛等优点，而且不会损伤或损失纳米材料，可局部或原位提高纳米材料的质量，避免工艺过程纳米材料表面的再度污染或产生新的缺陷，更重要的是避免了纳米材料与基片的反应，如形成SiC等化合物，因而特别适合于电路中原位提高纳米材料器件的性能。
本发明提供的提高纳米材料电性能的方法，包括以下步骤1.选取或制备含表面绝缘层的基片；2.在上述基片的表面匀胶、曝光、显影和定影，然后，采用热蒸发、溅射、或电子束蒸发等方法沉积一层金属材料，经剥离、清洗后形成电极；3.将纳米材料置于两电极之间且两端分别与两电极相连，纳米材料和电极之间形成良好的电接触；4.将含有与两电极相连的纳米材料放在真空室中，真空度高于1×10-2乇。其中真空室中放置纳米材料的支撑物的温度可以为室温、低温或高温；其高温不能高于金属电极材料在相应真空下的熔化、蒸发或挥发温度，也不能高于纳米材料的分解温度；5.在纳米材料两端逐渐增加电压，直到同时测量的电流-电压曲线出现饱和现象为止，或直到同时测量的微分电导随电压的增加开始减小为止。
下面结合附图和具体实施方式
来详细说明本发明。
图1为本发明提高纳米材料电性能的方法的原理结构示意图，其中纳米材料置于两电极之上。
图2为实施例1中测量所得I-V曲线。扫描电压的范围是-1V到1V，图中显示了加第一次扫描电压时的I-V曲线。
图3为实施例1中测量所得I-V曲线。扫描电压的范围是-1V到1V，图中显示了电压扫描三次的I-V曲线。
图4为实施例1中测量所得I-V曲线。扫描电压的范围是-2V到2V，共扫描六次。
图5为实施例1中测量所得I-V曲线。扫描电压的范围是-3V到3V，共扫描五次，分别标为1-5，表示从第一次到第五次的扫描。
图6为实施例1中测量所得I-V曲线。扫描电压的范围是-4V到4V，共扫描九次，分别标为1-9，表示第一次到第九次的扫描。
图7为实施例1中扫描偏压从-6.1V到6.1V测量所得时I-V曲线。
图8为本发明提高纳米材料电性能的方法的原理结构示意图，其中纳米材料置于两电极之下。
图9为本发明提高纳米材料电性能的方法的原理结构示意图，其中纳米材料两端埋于两电极金属层中。
附图标记1左金属电极 2基片的绝缘层3不包括绝缘层的基片部分4右金属电极 5纳米材料具体实施方式
实施例1选用(001)取向的n+型高掺杂硅，在硅表面上通过热氧化的方法生长出500nm厚的SiO2层，作为基片的绝缘层2，如图1所示，其中纳米材料5为碳纳米管。基片下部为不包括绝缘层的基片部分3。在基片绝缘层2表面匀胶、曝光、显影和定影，采用电子束蒸发方法先后沉积10nm厚的钛和50nm厚的金，经剥离清洗后形成电极1和4，每个电极的大小是100μm×100μm，电极间距为1μm；采用原子力显微镜技术将单根多壁碳纳米管5置于两电极上并分别与两电极形成良好的电接触，其中碳纳米管5由化学气相沉积方法合成，直径为15nm，长为2μm。
将以上制备的含有与电极连接好的碳纳米管的基片置于真空室中，真空度为3×10-5mbar，在室温下碳纳米管两端施加偏压，同时监控碳纳米管两端的电流-电压(I-V)曲线。起初在两电极加上较小的扫描偏压，由-1V到1V，所得I-V曲线不对称，而且不光滑，特别是在-1V附近显示出较大的涨落(参照图2)，这说明碳纳米管与电极的接触还不是很稳定。I-V曲线从-0.14V到0.19V表现出近似线性的特征，电阻为30MΩ。在-1V到1V重复扫描，每次得到的I-V曲线并不重合，图3给出了扫描三次电压的I-V曲线，显示出很大的涨落，三条曲线不重合，说明碳纳米管的电性能不稳定。增大扫描偏压，从-2V到2V，I-V曲线仍然不光滑。图4给出了连续扫描6次的I-V曲线，曲线不重合，说明接触仍不稳定，但在零偏压附近电阻由10MΩ减小到1MΩ。当扫描电压变为-3V到3V时，接触趋于稳定。图5给出了扫描电压由-3V到3V时的I-V曲线。连续扫描5次，第一次扫描的I-V曲线与后四次扫描的I-V曲线有很大的不同，而后四次扫描的I-V曲线差别很小，零偏压附近电阻由0.5MΩ减小到0.16MΩ，我们可以认为碳纳米管与电极间的接触已经趋于稳定。继续加大扫描偏压范围。当扫描偏压由-4V到4V时，从I-V曲线上已经看不到噪声，I-V曲线很光滑。扫描9次，所得到的I-V曲线如图6所示，分别标为1-9，表示从第一次到第九次的扫描。从这九条曲线上可看出，每扫描一次电压，电流都会有所增加。从曲线1到2、2到3、3到4，电流增加值较小，而从曲线4到5，电流突然增大许多。同样，从曲线5到6、6到7、7到8，电流增加值较小，而从曲线8到9，电流增加许多。从I-V曲线图上，可观察到曲线5和9在-4V附近有电流的跳变。从第一次到第九次扫描，零偏压附近的电阻由100kΩ减小到30kΩ。这些现象都说明碳纳米管的性能通过真空中通电流的方法得到了很大提高，碳纳米管的电学性质也趋于稳定。如果继续增大偏压范围，所得的I-V曲线将会与曲线9重合。图7给出了扫描电压从-6.1V到6.1V时的I-V曲线，图6中曲线9与此曲线重合，从曲线上已可明显看到电流的饱和现象，此时可停止施加电压。总之，在足够高的真空度下，随着扫描偏压的增大，碳纳米管经历了一次高温退火过程，吸附物脱附，缺陷密度降低，即使是最外层一个吸附物或缺陷的减少也会在很大程度上的提高碳纳米管的输运性质，而对碳纳米管不会造成伤害。
Collins等人[P.G.Collins，M.Hersam，M.Arnold，R.Martel，Ph.Avouris，Phys.Rev.Lett.86，3128(2001)]研究了大偏压下碳纳米管的输运性质，指出在大偏压下多壁碳纳米管的内层也会参与输运，而导致内层导通的原因，他们认为是径向的隧穿或电荷直接由金属电极注入某一特定内层，若按此原因，内层的导通依赖于偏压的大小，并且偏压的减小会减小隧穿或电荷注入，电流的突增现象可以重复。但在本发明中，电流突增现象不可逆，因此，所观察到的电流突增不是由于内层的导通而是碳纳米管本身质量的提高。
实施例2选用(111)取向的非掺杂硅，在硅表面上沉积5μm厚的SiO2层，作为基片的绝缘层2，如图1所示。其中纳米材料5为碳纳米管。基片下部为不包括绝缘层的基片部分3。在基片绝缘层2表面上匀胶、曝光、显影和定影，采用热蒸发方法沉积厚度为800nm的金，经剥离后形成电极1和4，每个电极的大小是1mm×1mm，电极间距为3μm；将一束碳纳米管5置于两电极上并分别与两电极形成良好的电接触，其中碳纳米管5是由化学气相沉积方法合成的单壁碳纳米管，长与直径分别为4μm和3nm。
将以上制备的含有与电极连接好的碳纳米管的基片置于真空室中，真空度为1×10-6mbar，样品座的温度为77K，碳纳米管两端施加偏压，同时监控碳纳米管两端的微分电导-电压曲线。首先微分电导随偏压的增加而增加，当偏压大于6V时观察到微分电导随偏压的增加开始减小。这时可断定纳米管质量已得到很大提高，此时可停止施加电压。
实施例3选用(001)取向的n+型高掺杂硅，在硅表面上沉积9nm厚的Al2O3，作为基片的绝缘层2，如图8所示。其中纳米材料5为碳纳米管。基片下部为不包括绝缘层的基片部分3。在基片绝缘层2表面放置一根多壁碳纳米管5，在碳纳米管5两端利用套刻的电子束光刻法制备两电极图形，利用电子束沉积法沉积3nm厚的钛和50nm厚的金，经剥离清洗后形成电极1和4，每个电极的大小是150μm×100μm，电极间距为1μm。
利用实施例1描述的方法，在真空中碳纳米管两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。这就提高了碳纳米管的质量和电性能。
实施例4选用(111)取向的非掺杂硅，在硅表面上沉积3nm厚的ZrO2，作为基片的绝缘层2。如图8所示，其中纳米材料5为碳纳米管。基片下部为不包括绝缘层的基片部分3。在基片绝缘层2表面覆盖上50nm厚的PMMA，在100℃烘烤1小时；将所选单根多壁碳纳米管置于基片绝缘层表面上覆盖的PMMA上，再在其上面覆盖50nm厚的PMMA，100℃下烘烤1小时。在碳纳米管5两端利用电子束光刻法制备两电极图形，利用电子束沉积法沉积80nm厚的铝，经剥离清洗后形成电极1和4，每个电极的大小是100μm×100μm，电极间距为1μm；图9为其结构示意图。
利用实施例1描述的方法，在真空中碳纳米管两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。这就提高了碳纳米管的质量和电性能。
实施例5选用(001)取向的非掺杂硅，在硅表面上沉积5μm厚的SiO2层，作为基片的绝缘层。在基片绝缘层表面上放上一大束单壁碳纳米管，每根管的直径约为2nm，长度为1.5mm。将一制备好的具有电极对形状孔的500μm厚的掩模板放于基片上且电极对的两电极孔分别与碳纳米管束两端接触，采用电子束蒸发方法沉积10nm厚的铬和60nm厚的金，移走电极对形状孔的薄片即形成电极1和4，每个电极的大小是1mm×1mm，电极间距为1mm。这种电极的制备方法特别适合于大量的长的碳纳米管的接触电极的制备。
将以上制备的含有与电极连接好的碳纳米管的基片置于真空室中，真空度为1×10-6mbar，样品座的温度为室温，碳纳米管两端的电极上施加偏压，同时监控碳纳米管两端的电流-电压曲线。其后面的方法与实施例1描述的方法相似。
实施例6选用(111)取向的非掺杂硅，在硅表面上沉积3μm厚的SiO2层，作为基片的绝缘层2，如图1所示。其中纳米材料5为氧化钛纳米管。在基片绝缘层2表面上匀胶、曝光、显影和定影，采用热蒸发方法沉积厚度为800nm的金，经剥离后形成电极1和4，每个电极的大小是1mm×1mm，电极间距为3μm；将一束氧化钛纳米管置于两电极上并分别与两电极形成良好的电接触。
利用实施例1描述的方法，在真空中氧化钛纳米管两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。这就提高了氧化钛纳米管的质量和电性能。
实施例7选用(001)取向的n+型高掺杂硅，在硅表面上沉积12nm厚的Ta2O5，作为基片的绝缘层2，如图8所示。其中纳米材料5为硅纳米线。在基片绝缘层2表面放置一根硅纳米线，在硅纳米线两端利用套刻的电子束光刻法制备两电极图形，利用溅射法沉积3nm厚的钛和50nm厚的金，经剥离清洗后形成电极1和4，每个电极的大小是150μm×100μm，电极间距为1μm。
利用实施例1描述的方法，在真空中硅纳米线两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。这就提高了硅纳米线的质量和电性能。
实施例8选用(111)取向的非掺杂硅，在硅表面上沉积5μm厚的SiO2层，作为基片的绝缘层2，如图1所示。其中纳米材料5为铟砷纳米线。在基片绝缘层2表面上匀胶、曝光、显影和定影，采用电子束蒸发法沉积厚度为600nm的金，经剥离后形成电极1和4，每个电极的大小是1mm×1mm，电极间距为3μm；将一束铟砷纳米线置于两电极上并分别与两电极形成良好的电接触。
利用实施例1描述的方法，在真空中铟砷纳米线两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。这就提高了铟砷纳米线的质量和电性能。
实施例9选用(001)取向的非掺杂硅，在硅表面上沉积7nm厚的HfO2，作为基片的绝缘层2，如图8所示。其中纳米材料5为氧化锌纳米带。在基片绝缘层2表面放置一根氧化锌纳米带，在氧化锌纳米带两端利用套刻的电子束光刻法制备两电极图形，利用电子束沉积法沉积3nm厚的钛和50nm厚的金，经剥离清洗后形成电极1和4，每个电极的大小是150μm×100μm，电极间距为1μm。
利用实施例1描述的方法，在真空中氧化锌纳米带两端施加扫描偏压，并不断增加扫描偏压，直到观察到电流的饱和现象为止。这就提高了氧化锌纳米带的质量和电性能。
上述方法同样适用于其它纳米管和纳米材料，如硅纳米管、磷化铟纳米线等。本发明方法也可用于非纳米材料质量的提高，包括电性能和光性能的提高。
权利要求
1.一种提高纳米材料电性能的方法，其特征在于将纳米材料置于两电极之间且两端分别与两电极相连，再将纳米材料和两电极构成的器件置于真空室中，在纳米材料两端施加电压。
2.按照权利要求1所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于所述电极为金属电极，包括Au、Ti、Pt、W、Co、Mo、Cr、Ni金属及它们的合金，电极的厚度为1nm-1mm。
3.按照权利要求1所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于所述电极是在基片的绝缘材料层上制备，绝缘材料层为SiO2及高介电常数材料。
4.按照权利要求3所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于所述的高介电常数材料包括Si3N4、Al2O3、HfO2、Y2O3、La2O3、Ta2O5、TiO2、ZrO2、LaAlO2。
5.按照权利要求3所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于所述电极的制备方法是，在基片绝缘层表面匀胶、曝光、显影和定影，然后，采用热蒸发、溅射、或电子束蒸发方法沉积一层金属材料，经剥离、清洗后形成电极。
6.按照权利要求3所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于所述金属电极的制备方法是，在基片绝缘层表面放置纳米材料，在纳米材料两端利用套刻的电子束光刻法制备两电极图形，利用热蒸发、溅射、或电子束蒸发方法沉积一层金属材料，经剥离清洗后形成电极。
7.按照权利要求6所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于在纳米材料与基片绝缘层之间可填充绝缘材料，此绝缘材料材料包括SiO2和高介电常数材料。
8.按照权利要求3所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于所述金属电极的制备方法是，在基片绝缘层表面上放上纳米材料，将一制备好的具有电极对形状孔的掩模板放于基片上且电极对的两电极孔分别与纳米材料束两端接触，采用热蒸发、溅射、或电子束蒸发方法沉积一层金属材料，移走电极对形状孔的薄片即形成电极。
9.按照权利要求1所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于所述方法在室温即可进行，也可运用于低温或高温情况，其高温不能高于电极材料在相应真空下的熔化、蒸发或挥发温度，也不能高于纳米材料的分解温度。
10.按照权利要求1所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于在纳米材料两端施加电压时是逐渐增加电压，直到同时测量的电流-电压曲线出现饱和现象为止，或直到同时测量的微分电导随电压的增加开始减小为止。
11.按照权利要求1所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于与电极相连的纳米材料悬空置于两电极上。
12.按照权利要求3所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于与电极相连的纳米材料两端埋于两电极金属层中。
13.按照权利要求3所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于与电极相连的纳米材料两端直接置于两电极金属层下。
14.按照权利要求3所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于在基片的绝缘层上再覆盖绝缘材料，然后将与电极相连的纳米材料置于绝缘材料上。
15.按照权利要求1所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于所述纳米材料可以是纳米管、纳米带或纳米线，包括碳纳米管、硅纳米管、氧化钛纳米管、氧化锌纳米带、硅纳米线、铟砷纳米线、磷化铟纳米线。
16.按照权利要求15所述的提高纳米材料电性能的方法，其特征在于所述的纳米管可以是单壁纳米管或多壁纳米管，也可以是单根纳米管或多根纳米管。
全文摘要
本发明公开了一种提高纳米材料电性能的方法，它是将纳米材料置于两电极之间且两端分别与两电极相连，再将纳米材料和两电极构成的器件置于真空室中，在纳米材料两端施加电压。该方法既能提高一根或少量纳米材料的质量，也能用于提高大量纳米材料的质量，特别适合于提高单根纳米管、单根纳米线的电性能。该方法具有操作简单、可控和应用广泛等优点，而且不会损伤或损失纳米材料，可局部或原位提高纳米材料的质量，避免工艺过程纳米材料表面的再度污染或产生新的缺陷，更重要的是避免了纳米材料与基片的反应，特别适合于电路中原位提高纳米材料器件的性能。
文档编号H01B13/00GK1549280SQ0313108
公开日2004年11月24日 申请日期2003年5月14日 优先权日2003年5月14日
发明者李秋红, 王太宏 申请人:中国科学院物理研究所