Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Md Abu Taher Khan

Väitöskirjan nimi: Electrical properties and transport characteristics of single-walled carbon nanotube bundles

Väittelijä: Md Abu Taher Khan
Vastaväittäjä: Tutkija Don Norimi Futaba, National Institute of Advanced Science and Technology (AIST), Japani
Kustos: professori Esko Kauppinen, perustieteiden korkeakoulu 

Yksiseinäiset hiilinanoputket (SWCNT) ovat hiilen yksidimensioisia kiderakenteita, joilla on potentiaalisia sovelluksia transistoreissa, integroiduissa piireissä, puettavissa sensoreissa, lääketieteellisissä diagnostiikkalaitteissa, johtavissa läpinäkyvissä ohutkalvoissa, aurinkoenergiaratkaisuissa sekä seuraavan sukupolven EUV valotuksen suojakalvoissa.

Tämä väitöskirjatutkimus keskittyy kasvuhetkellä syntyneiden SWCNT kimppujen sähköisiin ominaisuuksiin transistorisovelluksessa. Kehitettiin uusi yksivaiheinen, lämpötilagradienttiin perustuva depositiomenetelmä, jolla nanoputket viedään reaktorikaasusta suoraan piikiekolle. Näin voidaan tutkia nanoputkien alkuperäisiä sähköisiä ominaisuuksia ilman, että niitä joudutaan käsittelemään ja puhdistamaan. Aikaisemmat liuospohjaiset depositiomenetelmät likaavat ja rikkovat usein nanoputket, mikä vaikuttaa niiden puhtaisiin sähköisiin ominaisuuksiin. Uuden menetelmän avulla saavutettiin yli 3 kertaa paremmat transistorin sähköiset liikkuvuudet kuin liuospohjaisella menetelmällä.

Jatkuvatoimisessa kaasufaasin aerosolisynteesissä (FC-CVD) nanoputket muodostavat luonnollisesti kimppuja, jotka sisältävät sekä puolijohde- että metallinanoputkia. Koska noin kolmasosa kasvuhetkellä syntyneistä nanoputkista on metallisia, voisi odottaa, että suurin osa transistoreista käyttäytyisi metallien tavoin korkeiden off-tilan virtojen ja matalien on-off-suhteiden vuoksi. Tuloksemme osoittivat kuitenkin, että puolijohtavien transistorien osuus oli suurempi kuin kasvuhetkellä syntyneiden puolijohtavien nanoputkienmäärä. Tämä johtuu siitä, että metalliset putket ovat lyhyempiä ja vähemmän tehokkaita kimpuissa.

Havaitsimme myös, että varauksen kuljettajan liikkuvuus kasvaa putken halkaisijan ja kimppukoon kasvaessa ja että putkien väliset liitokset ovat pääasiallinen tekijä, joka rajoittaa liikkuvuutta ohutkalvoissa. Yksi liitos voi vähentää liikkuvuutta kahdesta neljään kertaan verrattuna yksittäiseen kimpputransistoriin.
Lisäksi käytettäessä synteesissä alkoholiseosta hiilen lähtöaineena saavutettiin 94 %:n puolijohtavien putkienosuus. mikä on korkein raportoitu puolijohtavien osuus, kun putket viedään suoraan transistoriin, siis ilman metallisten putkien erotusta.

Tulevaisuudessa nämä havainnot voivat auttaa vähentämään metallisten nanoputkien vaikutuksia transistoreissa. Tutkimus voi ohjata tulevaa tutkimusta kohti vielä korkeampaa puolijohtavien nanoputkien osuutta (jopa 99,9999 %) ilman jälkikäsittelyä.

Avainsanat: Jatkuvatoinen, katalyyttinen kemiallinen höyryn depositio nanoputkisynteesi, yksiseinäisten hiilinanoputkien kimppu, kenttävaikutustransistori, ohutkalvotransistori, puolijohteinen, metallinen, varauksen kuljettajan liikkuvuus, on–off-suhde, putki–putki-liitos / putkien välinen liitos

Yhteystiedot: 
md.1.khan@aalto.fi 
Linkdin: https://www.linkedin.com/in/abu-taher-khan-b31a59219/ 
Research Group: https://www.aalto.fi/en/department-of-applied-physics/nanomaterials-nmg 

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc