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Advanced Dielectrophoresis for High-Performance Single-Walled Carbon Nanotube Electronics

Li, Wenshan :
Advanced Dielectrophoresis for High-Performance Single-Walled Carbon Nanotube Electronics.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5984]
Technische Universität Darmstadt , Darmstadt
[Dissertation], (2016)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5984

Kurzbeschreibung (Abstract)

Single walled carbon nanotubes (SWCNTs) are cylindrical tubes with nanometer diameter, which can be thought of a wrapped-up mono-layer graphene sheet equivalently. Benefiting from their unique one dimensional structure, SWCNTs possess many unique electronic properties, such as high electrical conductivity, high charge mobility, low field emission threshold, high current capacity, etc. Additionally, SWCNTs can behave as either metals or semiconductors depending on their electronic band structures. These features make them one of the most promising materials for novel electronics. The present thesis focuses on the fabrication of high performance electronics based on semiconducting SWCNT (s-SWCNT) using dielectrophoresis (DEP) techniques. There are two key requirements that have to be satisfied for efficient DEPs, i.e. 1) using SWCNT suspensions with the highest possible semiconducting content and 2) depositing s-SWCNT with high packing-density in good alignment. Recently, toluene-based, polymer-assisted size exclusion chromatography was reported to yield over 99.7% s-SWCNT content in suspensions, which is a promising candidate for high-performance nanotube devices. Therefore, such suspensions were widely used in this thesis. In order to make dense and well-aligned s-SWCNT deposition by DEPs, the key issue is how to enhance the polarizability of carbon nanotubes more effectively. Basically, three aspects can be taken into considerations, i.e. the s-SWCNT itself, the solvent for suspending s-SWCNTs in and the applied electric field during the DEPs. By populating excitonic excitations, thereby pumping up free charges of SWCNT themselves using high-power laser, s-SWCNT deposition was improved using laser-coupled DEP technique, as confirmed by scanning electron microscope and electrical properties of the corresponding transistors. The achievement was attributed to the field-dependent exciton relaxations of s-SWCNTs. In terms of DEP solvents, media with low dielectric properties were verified to be productive for enhancing the polarizability of s-SWCNTs. In addition, through analyzing orientations of nanotubes in such media under an external electric field, an efficient method was also proposed to obtain the chirality-resolved nanotube length distribution. Furthermore, it was evident that the low-k solvent based DEPs perhaps supports a new approach towards the selective deposition of s-SWCNTs rather than their metallic counterparts when considering the difference of geometry features in SWCNTs. Effects of electric fields on the SWCNT DEP deposition were studied using proper finite element simulations in combination with experimental characterizations, which further clarified the underlying mechanism of solution-nanotube based DEPs in presence of a direct current (DC) or alternating current (AC) field. As a consequence, low-frequency bias was demonstrated to be beneficial for pronouncing the polarizability of s-SWCNTs compared to high-frequency one. Furthermore, the low-conductive media based DC-DEPs, making use of both low-k solvent and DC bias, was demonstrated to be the most efficient way to perform the s-SWCNT DEPs under the scope of this thesis. Lastly, s-SWCNT transistors with a hole mobility up to 297 cm^2V^-1s^-1 and On/Off ratio as high as 2×10^8 were achieved using DC based DEPs of toluene dispersed, polymer-wrapped SWCNTs. Moreover, by replacing the Si/SiO2 based back-gate with weakly oxidized Al top-gate, a sub-threshold swing of 95 mV/decade of SWCNT transistors was realized.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Li, Wenshan
Titel: Advanced Dielectrophoresis for High-Performance Single-Walled Carbon Nanotube Electronics
Sprache: Englisch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Single walled carbon nanotubes (SWCNTs) are cylindrical tubes with nanometer diameter, which can be thought of a wrapped-up mono-layer graphene sheet equivalently. Benefiting from their unique one dimensional structure, SWCNTs possess many unique electronic properties, such as high electrical conductivity, high charge mobility, low field emission threshold, high current capacity, etc. Additionally, SWCNTs can behave as either metals or semiconductors depending on their electronic band structures. These features make them one of the most promising materials for novel electronics. The present thesis focuses on the fabrication of high performance electronics based on semiconducting SWCNT (s-SWCNT) using dielectrophoresis (DEP) techniques. There are two key requirements that have to be satisfied for efficient DEPs, i.e. 1) using SWCNT suspensions with the highest possible semiconducting content and 2) depositing s-SWCNT with high packing-density in good alignment. Recently, toluene-based, polymer-assisted size exclusion chromatography was reported to yield over 99.7% s-SWCNT content in suspensions, which is a promising candidate for high-performance nanotube devices. Therefore, such suspensions were widely used in this thesis. In order to make dense and well-aligned s-SWCNT deposition by DEPs, the key issue is how to enhance the polarizability of carbon nanotubes more effectively. Basically, three aspects can be taken into considerations, i.e. the s-SWCNT itself, the solvent for suspending s-SWCNTs in and the applied electric field during the DEPs. By populating excitonic excitations, thereby pumping up free charges of SWCNT themselves using high-power laser, s-SWCNT deposition was improved using laser-coupled DEP technique, as confirmed by scanning electron microscope and electrical properties of the corresponding transistors. The achievement was attributed to the field-dependent exciton relaxations of s-SWCNTs. In terms of DEP solvents, media with low dielectric properties were verified to be productive for enhancing the polarizability of s-SWCNTs. In addition, through analyzing orientations of nanotubes in such media under an external electric field, an efficient method was also proposed to obtain the chirality-resolved nanotube length distribution. Furthermore, it was evident that the low-k solvent based DEPs perhaps supports a new approach towards the selective deposition of s-SWCNTs rather than their metallic counterparts when considering the difference of geometry features in SWCNTs. Effects of electric fields on the SWCNT DEP deposition were studied using proper finite element simulations in combination with experimental characterizations, which further clarified the underlying mechanism of solution-nanotube based DEPs in presence of a direct current (DC) or alternating current (AC) field. As a consequence, low-frequency bias was demonstrated to be beneficial for pronouncing the polarizability of s-SWCNTs compared to high-frequency one. Furthermore, the low-conductive media based DC-DEPs, making use of both low-k solvent and DC bias, was demonstrated to be the most efficient way to perform the s-SWCNT DEPs under the scope of this thesis. Lastly, s-SWCNT transistors with a hole mobility up to 297 cm^2V^-1s^-1 and On/Off ratio as high as 2×10^8 were achieved using DC based DEPs of toluene dispersed, polymer-wrapped SWCNTs. Moreover, by replacing the Si/SiO2 based back-gate with weakly oxidized Al top-gate, a sub-threshold swing of 95 mV/decade of SWCNT transistors was realized.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Elektronische Materialeigenschaften
Hinterlegungsdatum: 19 Feb 2017 20:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/5984
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-59845
Gutachter / Prüfer: Krupke, Prof. Dr. Ralph ; Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang ; Schneider, Prof. Dr. Jörg ; Stark, Prof. Dr. Robert
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 5 Dezember 2016
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Einwandige Kohlenstoffnanoröhren (SWCNTs, engl. single-walled carbon nanotubes) sind zylindrische Röhrchen mit einem Durchmesser im Nanometerbereich, und entsprechen einer aufgerollten Monolage von Graphen. Durch ihre einzigartige eindimensionale Struktur besitzen SWCNTs viele außergewöhnliche elektronische Eigenschaften, wie z.B. hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Ladungsmobilität, niedrige Feldemissionsschwelle, hohe Stromkapazität usw. Außerdem weisen SWCNTs je nach Bandstruktur metallische oder halbleitende Eigenschaften auf. Diese Eigenschaften machen SWCNTs zu einem vielversprechenden Material für die zukünftige Elektronik. Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf die Herstellung von Strukturen aus halbleitenden Nanoröhren (s-SWCNTs, engl. semiconducting SWCNTs) durch die Methode der Dielektrophorese (DEP). Für eine effiziente DEP sind dabei zwei wesentliche Anforderungen zu erfüllen. Zum Einen die Verwendung von SWCNT-Suspensionen mit einem hohen Anteil an halbleitenden SWCNTs und zum Anderen das Abscheiden von s-SWCNT in einer hoher Packungsdichte und idealer Ausrichtung. Vor kurzem wurden Toluol Suspensionen mit einem über 99,7% Anteil an polymer umwickelten s-SWCNTs mittels Größenausschlusschromatographie hergestellt. Solche Suspensionen sind besonders geeignet für die Herstellung leistungsfähiger elektronischer CNT-Bauteile dar, und wurden im Rahmen dieser Arbeit verwendet. Um bei der Abscheidung mittels DEP eine hohe Packungsdichte an ausgerichteten s-SWCNTs zu erreichen, sollte die Polarisierbarkeit von s-SWCNTs vergrößert werden. Dabei können grundsätzlich drei Parameter berücksichtigt werden: die s-SWCNT selbst, das Lösungsmittel zum Suspendieren von s-SWCNTs und das angelegte elektrische Feld während der DEP. Die s SWCNT Abscheidung wurde mittels lasergekoppelter DEP verbessert, bei der durch exzitonische Anregung freie Ladungen in der SWCNTs erzeugt wurden. Durch Charakterisierung mit dem Rasterelektronenmikroskop und elektrischer Charakterisierung der entsprechenden Transistoren wurde die verbesserte Abscheidung nachgewiesen und konnte auf eine feldabhängige Exzitonenrelaxationen in s-SWCNTs zurückgeführt werden. Zur Optimierung der DEP wurden Lösungsmittel mit niedriger dielektrischer Konstante als besonders geeignet für eine Verstärkung der Polarisierbarkeit von s-SWCNTs identifiziert. Zusätzlich wurde ein Verfahren zur Ermittlung der chiralitäts-aufgelösten SWCNT-längenverteilung entwickelt, basierend auf der Analyse der Ausrichtung der Nanoröhrchen in solchen Medien unter einem externen angelegten elektrischen Feld. Dabei lassen die Ergebnisse dieser Arbeit den Schluss zu, dass DEP mit Lösungsmitteln niedriger dielektrischer Konstante einen neuen Ansatz zur selektiven Abscheidung von s-SWCNTs bieten. Die Auswirkungen von elektrischen Feldern auf die SWCNT-DEP-Abscheidung wurden durch Finite-Elemente-Simulationen in Kombination mit Experimenten untersucht. Dabei zeigte sich, dass niederfrequente Spannungen vorteilhaft im Vergleich zu hochfrequenten Signalen sind. Darüber hinaus wurde im Rahmen dieser Arbeit gezeigt, dass die DEP unter Gleichspannung in schwach leitfähiger Lösung die effizienteste Methode zur Abscheidung von s-SWCNTs darstellt. Schließlich wurden in dieser Arbeit s-SWCNT-Transistoren mit einer Löcherbeweglichkeit von bis zu 297 cm^2V^-1s^-1 und einem On/Off-Verhältnis bis zu 2×10^8 hergestellt, wobei zur Herstellung die DC-basierte DEP von in Toluol dispergierten, polymerumhüllten SWCNTs eingesetzt wurde. Durch Austausch des Si/SiO2-basierten Backgates mit einem dünn-oxidierten Aluminium Top-Gate wurde zudem ein Schwellenwert von 95 mV/Dekade der gemessenen SWCNT-Transistoren realisiert werden.Deutsch
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