从概念上讲, 碳纳米管是由石墨烯卷曲形成的一维管状分子, 具有石墨烯优异的力学, 热学性能以及极高的载流子迁移率等特点, 并表现出结构可调的电子, 光电子特性, 在构建下一代高速低功耗, 高集成度电子和光电子集成回路方面具有重要的应用前景. 然而, 碳纳米管性质是由其结构决定的. 原子排列上的微小差异将导致其性质的巨大不同. 因此, 碳纳米管结构的控制是其性质和应用研究的前提, 也是纳米科学与技术研究领域的热点和难点.
中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析实验室A05组研究员刘华平, 致力于碳纳米管结构的分离, 发展凝胶色谱法实现直径小于1nm的多种单一手性碳纳米管的分离制备. 近年来, 通过温度, 乙醇以及多种表面活性剂分子协同作用, 在分子尺度上调控不同螺旋结构碳纳米管与凝胶之间的相互作用, 大幅提高单一手性碳纳米管的分离效率. 在此基础上, 利用分离制备的手性富集碳纳米管的特定发光和光电响应性质, 与北京大学教授彭练矛研究团队合作, 首次构建了性能优异的二维和三维碳纳米管光电集成回路. 然而, 目前凝胶色谱法分离制备的碳纳米管直径均小于1nm. 对于直径大于1.2nm的单一手性碳纳米管的分离一直是世界难题. 随着碳纳米管直径的增加, 相同直径碳纳米管的种类增加, 碳纳米管结构的分离难度不断增大. 但理论研究表明, 在高性能晶体管方面的应用, 最佳的半导体碳纳米管的直径范围为1.2-1.7nm.
近日, 该课题组研究生杨德华, 胡锦文, 研究员刘华平, 周维亚, 中科院院士解思深等利用NaOH调控表面活性剂分子在碳纳米管表面的吸附, 扩大了不同结构大直径碳纳米管与多糖凝胶之间的作用力差异, 实现大直径碳纳米管 (直径﹥1.2 nm) 的结构分离, 而且分离制备的半导体碳纳米管手性纯度可高达近40%, 半导体纯度可高于99%, 光学表征验证了上述实验结果 (如图1-3) . 该方法继承了凝胶色谱法简单, 快速, 低成本, 易于规模化分离碳纳米管的优点. 通过工艺优化, 分离产率可高达毫克量级. 该研究成果为制备高性能大面积碳纳米管集成电子器件以及红外光电子器件等提供了材料保障, 为进一步分离单一手性大直径半导体碳纳米管奠定了基础. 相关工作发表在Advanced Functional Materials上.
研究工作得到了国家自然科学基金, 中科院前沿科学重点研究计划, 中组部 '青年千人' 计划和中科院 '百人计划' 等的支持.
图1.分离制备的不同结构碳纳米管水溶液的光学照片. (a) 分离出的微克量级碳纳米管的溶液; (b) 优化工艺参数后, 宏量分离的碳纳米管溶液 (下方标注了每瓶分散液里碳纳米管的含量) .
图2.分离制备的碳纳米管溶液的光谱表征. (a) 光吸收谱表征; (b) Raman光谱表征 (激发波长514 nm) .
图3.分离制备的碳纳米管纯度评价. (a) 手性纯度评价, 通过分峰拟合计算分离制备的碳纳米管的手性纯度可达近40%; (b) 半导体纯度评价, 分离制备的碳纳米管半导体纯度可高达99%以上 (通过S22半导体吸收峰与金属管吸收峰M11的面积比值计算) .
