蘇州納米所李清文團(tuán)隊在單手性碳納米管高純度分離技術(shù)領(lǐng)域取得進(jìn)展
單手性碳納米管是一種很有前途的電子和光電子材料,具有確定的能帶結(jié)構(gòu)和近紅外吸收發(fā)射特性,在碳基集成電路,紅外光探測器和量子光源等方面有著很高的應(yīng)用前景,有望成為下一代碳基電子的核心材料。盡管已經(jīng)有許多方法(如梯度密度離心法、凝膠色譜法、雙水相法)可以分離得到多種單手性碳管,但是這些單手性碳管的直徑基本在1.1納米以下,晶體管器件性能較低,未能體現(xiàn)出單手性碳管的結(jié)構(gòu)特性。
中科院蘇州納米所先進(jìn)材料部李清文團(tuán)隊在碳納米管可控分離及器件應(yīng)用領(lǐng)域已開展了十幾年的研究,發(fā)展了一系列共軛分子-碳納米管分離體系,可以獲得高純度的半導(dǎo)體型單壁碳納米管 (Chem. Comm. 2013, 49, 10492; Small 2016, 12, 4993; Carbon, 2016, 105, 448; Adv. Mater., 2017, 29, 1603565; Adv. Mater., 2018, 31, 1800750),并在碳納米管電子器件領(lǐng)域有著一定的進(jìn)展(ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 15719; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 11699)。研究團(tuán)隊與國內(nèi)多個團(tuán)隊開展了深入合作,發(fā)現(xiàn)這些高純度半導(dǎo)體碳納米管在碳基集成電路和多功能電路領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了眾多突破,獲得了廣泛應(yīng)用。(Adv. Mater. 2020, 32, 9, 1907288; Nat. Comm., 2021, 12, 1798)
多年來研究團(tuán)隊一直在聚合物選擇性分離單手性碳管方向展開深入的研究,合成和篩選了大量不同結(jié)構(gòu)的共軛聚合物體系。發(fā)現(xiàn)其中一些含吡啶單元的共聚物對1.2納米直徑的特定手性碳納米管具有獨(dú)特的選擇性。在此基礎(chǔ)上,團(tuán)隊發(fā)展了兩種單手性碳管的高純度分離技術(shù):增強(qiáng)超速離心技術(shù)(Enhanced Ultracentrifugation E-UCG)和多步提取技術(shù)(Stepwise Extraction Processing STEP)。分別得到了單手性純度為92.3%的(10,8) 碳管和95.6%的(12,5) 碳管,手性純度均為已報道的大直徑單手性碳管中的最高數(shù)值。這兩種單手性碳管的直徑分別為1.24納米和1.20納米,其S11吸收峰和熒光發(fā)射峰分別在1.50 μm和1.52 μm,均位于通信波長C波段,十分有利于光學(xué)集成。研究團(tuán)隊利用 (10,8) 手性碳管制備了數(shù)百個納米級溝道長度的場效應(yīng)晶體管,測試結(jié)果表明,其半導(dǎo)體純度達(dá)到99.94%。基于 (10,8) 手性碳管制備的微米級溝道薄膜晶體管的性能也很出色,平均開關(guān)比約為106,遷移率達(dá)到61 cm2·V-1·s-1,遠(yuǎn)高于目前已報道的溶液法制備的單手性碳管器件性能。這些結(jié)果有助于研究人員更好的理解手性碳納米管與聚合物的結(jié)構(gòu)對應(yīng)關(guān)系,實現(xiàn)聚合物的高效篩選,更高的單手性純度和更好的器件性能將進(jìn)一步促進(jìn)碳基電子和光電子學(xué)的發(fā)展。
相關(guān)成果以“High-Purity Monochiral Carbon Nanotubes with a 1.2 nm Diameter for High-Performance Field-Effect Transistors”為題發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Advanced Functional Materials上(DOI :10.1002/adfm.202107119)。論文的第一作者是中科院納米所博士生李亞輝,通訊作者為邱松研究員和李清文研究員。本工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃 (2020YFA0714700,),國家自然科學(xué)基金 (22075312, 21773292)和廣東省重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域計劃 (2019B010934001) 等項目的資助。
圖1 (10,8)、(12,5) 手性碳納米管的提純方法及其光譜特性
圖2 (10,8)、(12,5) 手性碳管與已報道結(jié)果的比較及其納米器件表征
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