金屬所研制出窄帶隙分布半導體性單壁碳納米管

　　單壁碳納米管(swcnt)因碳原子排布方式不同可表現為金屬性或半導體性，其中半導體性swcnt具有納米尺度、良好的結構穩定性、可調的帶隙和高載流子遷移率，被認為是構建高性能場(chǎng)效應晶體管的理想溝道材料，并可望在新一代柔性電子器件中獲得應用。然而，金屬性和半導體性swcnt的結構和生成能差異細微，通常制備得到的碳納米管中含有約三分之一金屬性和三分之二半導體性swcnt，這種不同導電屬性swcnt的混合物無(wú)法用于高性能電子器件的構建。因此，高質(zhì)量半導體性swcnt的可控制備是當前碳納米管研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

　　中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家(聯(lián)合)實(shí)驗室先進(jìn)炭材料研究部的研究人員利用金屬性與半導體性swcnt在化學(xué)穩定性上的微弱差異，提出了浮動(dòng)催化——原位刻蝕方法，在swcnt生長(cháng)過(guò)程中引入適量氣體刻蝕劑(如氧氣或氫氣)優(yōu)先反應刻蝕金屬性swcnt，獲得了純度90%以上的半導體性swcnt(journaloftheamericanchemicalsociety2011,133:5232;acsnano2013,7:6831)。半導體性swcnt的帶隙與直徑直接相關(guān)，精確控制其直徑不僅可以實(shí)現swcnt的帶隙調控，而且有利于金屬性swcnt的選擇性刻蝕，進(jìn)一步提高半導體性swcnt的純度。通常用于生長(cháng)swcnt的過(guò)渡金屬催化劑在高溫生長(cháng)過(guò)程中易發(fā)生團聚，尺寸均一性較差;另一方面，swcnt從納米顆粒形核生長(cháng)遵循不可控的“切線(xiàn)生長(cháng)”或“垂直生長(cháng)”模式，即所得swcnt的直徑可能等于或小于催化劑顆粒。這使得swcnt的直徑控制十分困難，所得半導體性swcnt的帶隙分布較寬。

　　最近，金屬所先進(jìn)炭材料研究部的研究人員與芬蘭aalto大學(xué)合作者設計并制備了一種部分碳包覆的co納米顆粒催化劑，包覆碳層可以有效阻止催化劑顆粒團聚長(cháng)大，而部分暴露的co納米顆?？蓪?shí)現swcnt僅以垂直模式形核生長(cháng)，同時(shí)，采用嵌段共聚物自組裝法制備的催化劑顆粒具有優(yōu)異的均一性和單分散性。他們采用這種催化劑首先實(shí)現了窄直徑分布swcnt的可控生長(cháng)(平均直徑1.7nm，90%以上分布在1.6-1.9nm范圍內)，進(jìn)而采用h2原位刻蝕方法獲得了窄帶隙分布(~0.08ev)、高純度(>95%)、高質(zhì)量的半導體性swcnt。以制得的半導體性swcnt為溝道材料，構建了高性能薄膜場(chǎng)效應晶體管器件，在電流開(kāi)關(guān)比大于3×103時(shí)，平均載流子遷移率可達95.2cm2v-1s-1。

　　部分碳包覆金屬復合結構催化劑的研制為可控生長(cháng)swcnt提供了新思路，所得高質(zhì)量、高純度、窄帶隙分布半導體性swcnt為其在場(chǎng)效應晶體管等器件中的應用奠定了基礎。該工作的主要結果于3月30日在naturecommunications在線(xiàn)發(fā)表(naturecommunications2016,7:11160)。該工作得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng )新群體、重點(diǎn)項目、面上項目及中科院重點(diǎn)部署項目、創(chuàng )新團隊國際合作項目等的資助。