從概念上講, 碳納米管是由石墨烯捲曲形成的一維管狀分子, 具有石墨烯優異的力學, 熱學性能以及極高的載流子遷移率等特點, 並表現出結構可調的電子, 光電子特性, 在構建下一代高速低功耗, 高整合度電子和光電子整合迴路方面具有重要的應用前景. 然而, 碳納米管性質是由其結構決定的. 原子排列上的微小差異將導致其性質的巨大不同. 因此, 碳納米管結構的控制是其性質和應用研究的前提, 也是納米科學與技術研究領域的熱點和難點.
中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析實驗室A05組研究員劉華平, 致力於碳納米管結構的分離, 發展凝膠色譜法實現直徑小於1nm的多種單一手性碳納米管的分離製備. 近年來, 通過溫度, 乙醇以及多種表面活性劑分子協同作用, 在分子尺度上調控不同螺旋結構碳納米管與凝膠之間的相互作用, 大幅提高單一手性碳納米管的分離效率. 在此基礎上, 利用分離製備的手性富集碳納米管的特定發光和光電響應性質, 與北京大學教授彭練矛研究團隊合作, 首次構建了性能優異的二維和三維碳納米管光電整合迴路. 然而, 目前凝膠色譜法分離製備的碳納米管直徑均小於1nm. 對於直徑大於1.2nm的單一手性碳納米管的分離一直是世界難題. 隨著碳納米管直徑的增加, 相同直徑碳納米管的種類增加, 碳納米管結構的分離難度不斷增大. 但理論研究表明, 在高性能晶體管方面的應用, 最佳的半導體碳納米管的直徑範圍為1.2-1.7nm.
近日, 該課題組研究生楊德華, 胡錦文, 研究員劉華平, 周維亞, 中科院院士解思深等利用NaOH調控表面活性劑分子在碳納米管表面的吸附, 擴大了不同結構大直徑碳納米管與多糖凝膠之間的作用力差異, 實現大直徑碳納米管 (直徑﹥1.2 nm) 的結構分離, 而且分離製備的半導體碳納米管手性純度可高達近40%, 半導體純度可高於99%, 光學表徵驗證了上述實驗結果 (如圖1-3) . 該方法繼承了凝膠色譜法簡單, 快速, 低成本, 易於規模化分離碳納米管的優點. 通過工藝優化, 分離產率可高達毫克量級. 該研究成果為製備高性能大面積碳納米管整合電子器件以及紅外光電子器件等提供了材料保障, 為進一步分離單一手性大直徑半導體碳納米管奠定了基礎. 相關工作發表在Advanced Functional Materials上.
研究工作得到了國家自然科學基金, 中科院前沿科學重點研究計劃, 中組部 '青年千人' 計劃和中科院 '百人計劃' 等的支援.
圖1.分離製備的不同結構碳納米管水溶液的光學照片. (a) 分離出的微克量級碳納米管的溶液; (b) 優化工藝參數後, 宏量分離的碳納米管溶液 (下方標註了每瓶分散液裡碳納米管的含量) .
圖2.分離製備的碳納米管溶液的光譜表徵. (a) 光吸收譜表徵; (b) Raman光譜表徵 (激發波長514 nm) .
圖3.分離製備的碳納米管純度評價. (a) 手性純度評價, 通過分峰擬合計算分離製備的碳納米管的手性純度可達近40%; (b) 半導體純度評價, 分離製備的碳納米管半導體純度可高達99%以上 (通過S22半導體吸收峰與金屬管吸收峰M11的面積比值計算) .
