成會明院士&劉暢研究員Adv. Mater.：無金屬半導體性和金屬性單壁碳納米管的選擇性生長

【引言】

半導體性單壁碳納米管(s-SWCNTs)具有高的載流子遷移率、小尺寸和良好的穩定性，因此是高性能場效應晶體管和微型邏輯電路理想的通道材料；金屬性單壁碳納米管(m-SWCNTs)具有高的電流耐久性、優秀的光學性質以及出色的柔韌性，可用作電路和透明導電薄膜的內部連線或電極。然而，通常的金屬納米顆粒催化制備的SWCNTs，一方面s-和m-SWCNTs相互混雜，另一方面金屬納米顆粒殘留會劣化SWCNTs的性能，嚴重阻礙了SWCNTs在電子器件中的應用。因此，通過無金屬催化劑直接選擇性制備高純s-或m-SWCNTs成為了碳納米管領域研究的熱點，也是將SWCNTs成功應用于電子器件的難點。

【成果簡介】

近日，中科院金屬所成會明院士和劉暢研究員(共同通訊作者)等人在材料領域頂尖期刊Adv. Mater.發表了題為“Selective growth of metal-free metallic and semiconducting single-wall carbon nanotubes”的研究論文，報道了SWCNTs選擇性生長的最新成果。該團隊以SiO_x納米顆粒為無金屬催化劑，通過化學氣相沉積(CVD)選擇性合成了s-和m-SWCNTs，純度可分別達到91%和～80%，表現出了優異的選擇性。研究還發現，SiO_x納米顆粒的尺寸和O含量是控制SWCNTs的選擇性生長的關鍵因素。最后，研究團隊分別以合成的s-SWCNTs和m-SWCNTs作為通道材料和源/漏極在Si基片上成功制備了全SWCNTs的薄膜晶體管(TFTs)。

【圖文導讀】

圖1 SiO_x納米顆粒的制備

(a)從濺射的SiO_x膜上形成SiO_x納米顆粒的示意圖；

(b)溫控曲線圖: 不同的加熱路徑、燒結時間和燒結氣氛；

(c-f)不同加熱過程制備的SiO_x納米顆粒的AFM圖；

(g)圖(c-f)中SiO_x納米顆粒的粒徑分布圖。

圖2 富含m-SWCNTs樣品的表征

(a-b)樣品M在633nm激光激發下的徑向呼吸振動模式(RBM)和G模式拉曼光譜；

(c-d)樣品M分別在785nm和532nm激光激發下的RBM拉曼光譜；

(e)樣品M中m-SWCNTs的百分比: 通過對m-和s-SWCNTs的RBM峰計數來獲得；

(f)樣品M和R的表面電阻與溫度的關系。

圖3 富含s-SWCNTs樣品的表征

(a)基于TEM觀察的樣品S的直徑分布。內插為SWCNTs的TEM圖；

(b)樣品S在633nm激光激發下的G模式拉曼光譜；

(c-e)樣品S分別在633、532和785nm激光激發下的RBM峰；

(f)樣品S的表面電阻與溫度的關系；并與樣品R進行對比。

圖4 由本實驗合成的s-和m-SWCNTs制備的全SWCNTs TFTs

?(a)全SWCNTs TFTs的制備過程示意圖；

(b)在SiO₂/Si基片上組裝的TFT陣列的低倍光學顯微圖；

(c)組裝的全SWCNTs TFTs的高倍光學顯微圖；

(d-e)s-和m-SWCNTs的SEM圖和RBM拉曼光譜。圖(e)中的插圖是SWCNTs放大的SEM圖；

(f)全SWCNTs TFTs的電學性能。

圖5 納米化學計量的SiO_x催化劑的組成表征和樣品中s-SWCNTs比例的統計數據

(a)通過SIMS標定的SiO_x催化劑中各組份強度比(O/Si)。該比例是隨引入H₂(還原氣氛)的增加而減少的；

(b)隨著引入H₂的減少，3個典型樣品中s-SWCNTs的含量是降低的。

【小結】

本文以不同含O量的SiO_x納米顆粒為催化劑，通過CVD方法實現了m-和s-SWCNTs的選擇性生長，并且揭示了O含量在SWCNTs選擇性生長中的重要作用，為無金屬催化SWCNTs的可控合成(m-或s-)提供了一條高效的路徑。采用所合成的s-和m-SWCNTs成功在Si基片上組裝了全SWCNTs的TFTs，顯示了單壁碳納米管在電子器件中應用的巨大潛力。

文獻鏈接: Selective growth of metal-free metallic and semiconducting single-wall carbon nanotubes (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605719)

本文由材料人編輯部納米學術組Roay供稿，材料牛編輯整理。文章撰寫過程中得到了論文通訊作者之一中科院金屬所劉暢研究員的指導，在此一并致謝。

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