〇4Hz的頻率下，兩種氧化物厚度產生類似量級的低RD和Xc，其對應于 在106Hz和20mVrms下2-106Ω的阻抗值。在這個頻率下阻抗的實數部分是2-714Ω，這 與在零偏壓下Ca和Al裝置的DC電阻的范圍307-423 Ω (定義為在V偏壓~ 0下（A · dj/ dV)~(-l)) -致。考慮到陣列中MWCNT的數量密度，單結電阻的范圍是20-71406Ω。這些 電阻包括氧化物涂布的MWCNT的固有電阻和接觸電阻，以及氧化物勢皇的電阻，其與氧化 物厚度成指數地增加。單結電阻比對于MWCNT和其觸點通常所觀測到的電阻大4-7個數量 級，所以這些高電阻最可能是歸因于在零或低偏壓下相對厚的氧化物隧道勢皇。
[0130] 制造具有0. 0025、0. 01和0.1 cm2的面積的若干MWCNT-O-M裝置以展示比例縮放 (圖9a)。在0.1 cm2上具有Ca(在±2V下10-12)和Al (在±2V下2. 5)頂部電極的裝置 中的整流比（圖9b)與理論預期以及具有較小面積的裝置中所展現的趨勢一致。然而，總 電流不如所預期隨著面積而增加，這可能是由于在較大面積上生長的陣列中的MWCNT高度 的不均勻性增加所引起的MWCNT與頂部電極之間的接觸減少。
[0131] 具有質量上更直并且更少纏結的MWCNT的陣列產生具有比所有其它裝置更好的 整流行為（在3V下比率為60)和不對稱性的MWCNT-O-M(Al)二極管（圖IOa)。然而，隧道 電流在這些裝置中顯著更低，這是因為MWCNT的直徑大了近兩倍，其可能減小尖端處的電 場增強。在具有更直的MWCNT的裝置中整流更好的原因并不明朗，但其突出強調了在陣列 形態上實施更大控制的潛在意義。若干MWCNT-O-M裝置的J-V特征從5至77°C幾乎沒有 變化（圖IOb)，從而指示這些裝置不會表現為基于半導體的二極管或半導電的CNT肖特基 結，這些二極管或肖特基結具有很強的溫度依賴性并且因其電容而被限制在低于可以由真 正的量子隧道二極管所實現的那些的操作頻率。
[0132] 為了展示在超高頻率下的操作，使用MWCNT-O-M垂直隧道二極管陣列和半透明頂 部金屬電極-用IOnm Al封蓋的20nm Ca制造整流天線裝置。因為對二極管性能的限制，所 以還沒有在太陽頻率下展示整流天線裝置。觀測到，基于MWCNT的二極管具有克服這些限 制所需的納米級尺寸和整流性能。圖Ila中示出了在黑暗中以及在用1064nm(約281THz) 激光照明下MWCNT-O-M整流天線陣列的電流-電壓特征。在關于MWCNT定向成約45度角處 從頂部照射裝置。這種照射增加了 MWCNT-O-M二極管響應的非線性。如圖Ilb中所示，接 通和切斷IR激光產生了在測量靈敏度的限度內的高速瞬態-在零偏壓下的電流響應。測 量隨激光偏振角而變的開路電壓并且顯示出對整流電壓的明顯的天線效應（圖lie)。數 據顯示，MWCNT-O-M二極管可以在至少281THz的頻率下操作，這個頻率完全處于太陽光譜 內。圖12中示出了在532nm下照明的數據。圖13和14中示出了用AML 50. 01W/cm2太陽 燈對不同裝置照明的數據。當用l〇64nm或532nm的激光波長照明時，或當用AML 50.0 lW/ cm2太陽燈照明時，陣列產生大于0. 1 μ A/cm 2或1 μ A/cm2的短路電流密度。
【主權項】
1. 一種裝置，其包括基板和碳納米結構-氧化物-金屬垂直二極管陣列。
2. 如權利要求1所述的裝置，其中所述基板包含一種或多種選自由硅、氧化銦錫、氟摻 雜氧化錫、玻璃、聚合物、金屬箔、柔性和/或透明導電材料組成的群組的材料，或可以用薄 金屬層涂布以導電，或其組合。
3. 如權利要求2所述的裝置，其中所述基板包含硅。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的裝置，其中所述碳納米結構-氧化物-金屬垂直 二極管陣列包括多個用介電層涂布的碳納米纖維、納米角或納米錐，并且所述碳納米纖維、 納米角或納米錐的尖端用金屬涂層涂布。
5. 如權利要求4所述的裝置，其中所述介電層經過摻雜以可逆地或不可逆地改變所述 介電層的電子密度。
6. 如權利要求5所述的裝置，其中所述介電層用一種或多種選自由氮、硼、氧、氫或羥 基組成的群組的材料摻雜。
7. 如權利要求1至6中任一項所述的裝置，其中所述介電層選自由以下組成的群組： A1203、A10x、Zr02、Ti02、ZnO、Si02、MgO、Nb205、CoO、NiO、Ta205、HfO2、聚合物電介質、有機表面 改性劑或分子、離子液體以及其組合。
8. 如權利要求7所述的裝置，其中所述介電層的厚度為約0. 5nm至約15nm、優選1至 8nm、更優選1至5nm、最優選2至4nm。
9. 如權利要求1至8中任一項所述的裝置，其中所述金屬涂層包含一種或多種選自由 以下組成的群組的低逸出功金屬41、0&、1%^ §、1^^1、11、111、1&、^\21'以及其組合。
10. 如權利要求9所述的裝置，其中所述一種或多種金屬是鋁。
11. 如權利要求9所述的裝置，其中所述一種或多種金屬是鈣。
12. 如權利要求1至8中任一項所述的裝置，其中所述金屬涂層包含一種或多種選自由 以下組成的群組的高逸出功金屬/材料：Pt、Au、W、Co、Ni、PcUIr、Os以及導電聚合物。
13. 如權利要求12所述的裝置，其中所述一種或多種金屬是鉑。
14. 如權利要求12所述的裝置，其中所述一種或多種金屬是金。
15. 如權利要求12所述的裝置，其中所述一種或多種材料是PED0T:PSS。
16. 如權利要求1至15中任一項所述的裝置，其中所述納米結構包括碳納米管。
17. 如權利要求16所述的裝置，其中所述碳納米管的平均高度為約0. 5微米至約50微 米。
18. 如權利要求17所述的裝置，其中所述碳納米管的平均高度與耦合至所述裝置的電 磁能的波長匹配。
19. 如權利要求17所述的裝置，波長范圍是300至2500nm的太陽光譜的波長范圍， 1100至2500nm的太陽光譜的紅外部分的波長范圍，或740至1000nm、1000至3000nm、3000 至 5000nm、8000 至 14000nm或 14000 至 50000nm的波長范圍。
20. 如權利要求17至19中任一項所述的裝置，其中所述碳納米管的平均高度是耦合至 所述裝置的所述電磁能的所述波長的整數倍數。
21. 如權利要求16至20中任一項所述的裝置，其中所述納米管的直徑為約5至40nm、 優選5至20nm、更優選5至10nm、最優選約7至約8nm〇
22. 如權利要求16至21中任一項所述的裝置，其中所述納米管的密度為約10 8至 1012CNT/cm2、優選約 101QCNT/cm2。
23. 如權利要求I至22中任一項所述的裝置，其中所述裝置進一步包括支撐層。
24. 如權利要求23所述的裝置，其中所述支撐層包含鈦、鎳、鉑或金。
25. 如權利要求1至24中任一項所述的裝置，其中所述結構進一步包括催化劑層。
26. 如權利要求25所述的裝置，其中所述催化劑層包含鋁、鐵、鎳、鈷或其它過渡金屬 或其組合。
27. 如權利要求1至26中任一項所述的裝置，其中所述裝置展現至少約10、15、20、25、 30、35、40、45、50、55 或 60 的整流比。
28. 如權利要求1至27中任一項所述的裝置，其中在2V的施加偏壓下電流密度為至少 約ImA/cm2。
29. 如權利要求1至27中任一項所述的裝置，其中當用太陽波長下的電磁能照明時在 開路中電流密度為至少約100nA/cm2。
30. 如權利要求1至29中任一項所述的裝置，其中所述開啟電壓小于約IV、優選小于 約0. 5V、更優選小于0. 3V。
31. 如權利要求1至30中任一項所述的裝置，其中所述納米結構是開口式的并且所述 金屬涂層與多個納米結構壁或表面接觸。
32. 如權利要求1至31中任一項所述的裝置，其中所述納米結構是開口式的并且所述 氧化物涂層與多個納米結構壁或表面接觸。
33. 如權利要求1至32中任一項所述的裝置，其中在5至77°C的溫度范圍內所述整流 比、電流密度以及能量轉換效率變化小于2%。
34. 如權利要求1至32中任一項所述的裝置，其中在5至400°C的溫度范圍內所述整 流比、電流密度以及能量轉換效率下降小于10%、9%、8%、7%、6%或5%。
35. 如權利要求1至32中任一項所述的裝置，其中在2至300°K的溫度范圍內所述 整流比、電流密度以及能量轉換效率下降小于10%、9%、8%、7%、6%或5%。
36. -種整流天線，其包括耦合至如權利要求1至35中任一項所述的裝置的天線。
37. -種將太陽能轉換成電能的方法，所述方法包括使包括如權利要求36所述的整流 天線的太陽能電池與太陽電磁波接觸。
38. -種將太陽能轉換成熱的方法，所述方法包括使包括如權利要求36所述的整流天 線的太陽能電池與太陽電磁波接觸。
39. -種存儲系統，其包括耦合至如權利要求1至35中任一項所述的裝置的電路。
40. 如權利要求39所述的系統，其中所述存儲系統是憶阻器。
41. 一種光開關，其包括耦合至如權利要求1至35中任一項所述的裝置的電路。
【專利摘要】本文描述了含有碳納米結構-氧化物-金屬二極管，諸如碳納米管(CNT)-氧化物-金屬二極管的陣列，以及其制造和使用方法。在一些實施方案中，所述陣列含有垂直定向的碳納米結構，諸如用介電層的保形涂層(如金屬氧化物)涂布的多壁碳納米管(MWCNT)。碳納米結構的尖端用諸如鈣或鋁的低逸出功金屬涂布以在尖端處形成納米結構-氧化物-金屬界面。所述陣列由于其固有的低電容可以在高達約40皮赫的頻率下用作整流天線。本文所描述的陣列在低至0.3V的低開啟電壓和高達約7800mA/cm2的大電流密度以及至少約10、15、20、25、30、35、40、45、50、55或60的整流比下產生高度不對稱性和非線性。
【IPC分類】H01L31-00, H01L51-42, H01L31-18
【公開號】CN104798208
【申請號】CN201380060639
【發明人】B·蔻拉, A·夏爾, V·辛格
【申請人】佐治亞科技研究公司
【公開日】2015年7月22日
【申請日】2013年10月21日
【公告號】CA2887900A1, EP2909865A1, WO2014063149A1