中科院納米所李清文團隊：單手性碳納米管高純度可控分離新進展

【引言】

單手性碳納米管可以看做將石墨烯沿特定角度卷繞而成的納米尺寸單層管，具有確定的能帶結構和近紅外吸收發射特性，在碳基集成電路，紅外光探測器和量子光源等方面有著廣泛的應用前景，有望成為下一代碳基電子的核心材料。盡管已經有許多方法(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納米管，但是這些單手性碳管的直徑基本在1納米以下，在電子和光電應用中受到限制。目前該領域的研究致力于獲得特定直徑和更高純度的單手性碳納米管，為其在電子及光電領域的應用奠定基礎。

【成果簡介】

近期，中科院蘇州納米所李清文、邱松團隊與中科院金屬所孫東明研究員共同報道了1.2納米直徑單手性碳納米管的高純度分離與高性能晶體管器件的研究工作。研究團隊合成和篩選了大量共軛聚合物體系，發現兩種含吡啶單元共聚物PFP和PCP具有典型的大直徑選擇性特性，在此基礎上發展了兩種單手性碳管的高純度分離策略：增強超速離心（Enhanced Ultracentrifugation E-UCG) 和 多步提取（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。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吸收峰和熒光發射峰分別在1.50 μm和1.52 μm，均位于通信波長C波段。研究團隊利用 (10,8) 手性碳管制備了數百個納米級溝道長度的場效應晶體管，測試結果表明，其半導體純度達到99.94%。基于 (10,8) 手性碳管制備的微米級溝道薄膜晶體管開關比為10⁶，遷移率達到61 cm²·V^-1·s^-1，明顯高于目前已報道的溶液法制備的單手性碳管器件性能。相關成果以“High-Purity Monochiral Carbon Nanotubes with a 1.2 nm Diameter for High-Performance Field-Effect Transistors”為題發表在Advanced Functional Materials上。

【圖文導讀】

圖1. PFP和PCP聚合物在初次分離下的吸收光譜以及直徑和手性角的選擇性圖。

研究人員在大量的可分離單手性碳管的聚合物體系中篩選出具有窄直徑分布（1.2-1.3 nm）的PFP和PCP兩種聚合物。

圖2. PFP聚合物分離的手性碳管在超速離心下的提純結果。

對于以(10,8) 碳管為主分離產物的PFP聚合物體系，在650,000 g的超高速離心過程中，發現除(10,8) 碳管以外的其他手性物種隨離心時間的延長依次沉淀，最終溶液中僅留下具有高懸浮穩定性的的(10,8) 碳管，其單手性純度為92.3%。這一分離策略被命名為增強超速離心Enhanced Ultracentrifugation (E-UCG)?。

圖3.PCP和PFP聚合物在分步梯次提取過程的示意圖及其光譜表征。

研究人員由PFP及PCP聚合物分離產物的相似性及差異性，設計了先由PFP聚合物初次分離，將聚合物去除后再將PCP聚合物進行二次分離，保留了在PFP體系中含量較高的(12,5)碳管，同時去除在PCP體系中含量最少的(12,5) 碳管，進而獲得相對含量較高的(12,5)碳管，并最終通過超速離心獲得95.6%單手性純度的(12,5) 碳管。這一策略被命名為?分步提取，Stepwise Extraction Processing (STEP)。

圖4.高純度(10,8) 和（12,5）手性碳管的光譜表征。

4a, 4b：室溫熒光光譜；4d, 4e：吸收光譜；4c, 4f：二維激發-發射光譜。

圖5. (10,8) 和（12,5）手性碳管與目前已報道的被分離的大直徑單手性碳管的手性純度對比圖。

研究人員對目前已報道的大于1?nm直徑的單手性碳管的手性純度以及直徑分布進行統計，結果發現聚合物分離得到的(10,8) 和(12,5) 碳管在單手性純度以及發光波長區域等方面均具有明顯的優勢。

圖6. (10,8)單手性碳管的場效應晶體管器件性能表征。

研究人員將直徑為1.24 nm的(10,8) 碳管分別制備了微米級和納米級溝道長度的場效應晶體管器件，結果發現微米級溝道單手性碳管器件的平均開關比約為10⁶，遷移率達到61 cm²·V^-1·s^-1，與已報道的單手性碳管器件具有明顯的優勢。而納米級溝道單手性碳管器件的性能統計證明，其半導體純度可以達到99.94%以上。

【小結】

綜上所述，本工作通過研究共軛聚合物與單手性碳納米管的結構匹配關系，實現聚合物的高效篩選。并通過開發兩種普適的高純度分離策略：增強超速離心和多步提取方法，實現了?(10,8) 碳管和 (12,5) 碳管的高純度可控分離，其手性純度為已報道的大直徑單手性碳管中的最高數值。兩種單手性碳管的吸收和熒光發射峰位均在1.50 μm附近的C波段通信波長，十分有利于光學集成。此外，納米級溝道和微米溝道長度的場效應晶體管器件性能表明，這些單手性碳管的半導體純度達到99.94%，遷移率和開關比性能與已報道的溶液法制備單手性碳管器件相比有顯著的提高。這項工作有助于研究人員更好的理解手性碳納米管與聚合物的結構對應關系，為單手性碳納米管的可控分離與制備提供重要的發展思路，進一步促進碳基電子和光電子學的發展。

文獻鏈接：High-Purity Monochiral Carbon Nanotubes with a 1.2 nm Diameter for High-Performance Field-Effect Transistors, Advanced Functional Materials,?2021, DOI:10.1002/adfm.202107119

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