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選擇性制備半導體性單壁碳納米管取得進展
2017-03-14 14:16:47 成都愛法納米技術有限公司 www.6709196.buzz
武漢大學物理科學與技術學院潘春旭課題組在選擇性制備半導體性單壁碳納米管研究領域取得重要進展。相關成果以“Arational design for the separation of metallic and semiconducting single-walledcarbon nanotubes using a magnetic field”為題,發表在英國皇家化學會旗下《Nanocale》上。

眾所周知,單壁碳納米管(SWNTs)具有優良的力學、熱學及電學性能,在許多領域尤其是電子學領域具有重大的潛在應用。目前,SWNTs在電子學的應用主要是利用其良好的導電性或高的開關比。但是,現有制備工藝生產出來的SWNTs均為不同管徑大小、手性結構各異的混合物,尤其是同時含有金屬性(m-)和半導體性(s-)的SWNTs。這種不同性質SWNTs的機械性混合導致其物理學能與功能大打折扣,甚至與其理論值相差甚遠,這極大地阻礙了SWNTs在微納電子器件領域的應用和發展。為了解決困擾單壁碳納米管應用的難題,必須對不同結構和性質的SWNTs進行分離,也就是要實現m-/s-SWNTs的純化處理。目前分離方法主要有兩種:制備后分離和“原位”分離。1)制備后分離法有:電泳法、膠帶法、離心分離法、化學修飾法等。這些方法的優點是產量高,缺點是會帶來雜質和缺陷,使單壁碳納米管的電子遷移率降低,而且這些方法只對短的SWNTs有效。2)“原位”分離法有:弱氧化法、氣相刻蝕法、紫外光刻蝕法等。這些方法的優點是能夠獲得高質量的s-SWNTs,但缺點是只能在基底表面少量生長,另外,大部分方法都在高溫下制備,需要經過轉移、涂覆等步驟才能應用于電子器件中。然而,在實際應用中,一些高性能、柔性、透明薄膜器件需要使用簡單的步驟實現SWNTs在大面積基底上均勻分布。這就要求s-SWNTs的制備與在基底上的沉積最好能一步完成。

為了解決s-SWNTs產量與質量的矛盾,潘春旭教授和博士生羅成志等提出了一種全新的無破壞“原位”大量制備s-SWNTs的新方法,即,在浮動催化劑化學氣相沉積法(CVD)制備SWNTs的過程中,“原位”引入磁場選擇性地制備s-SWNTs。利用該方法可實現s-SWNTs的生長與在基底的沉積一步完成。所制備的s-SWNTs含量高達99%,且密度可控,可在任意基底上制備。該方法利用的是m-SWNTs與s-SWNTs磁性差異,從而實現外加磁場來選擇性沉積s-SWNTs。有研究表明s-SWNTs在垂直和平行于長軸的方向都表現出逆磁性(χ<0),而m-SWNTs在平行于長軸方向表現出順磁性(χ>0)。磁化率的不同將會使金屬性和半導體性的SWNTs在磁場中的受力不同,因此可以選擇性的誘導s-SWNTs在基底上沉積。實驗結果表明隨著磁場強度的增大,s-SWNTs的含量隨著磁場強度的增大而增加。當磁場強度達到1T時,可制備含量大于99%的s-SWNTs。

該方法制備的s-SWNTs有望大規模應用于高性能、柔性、透明薄膜晶體管。除了選擇性制備s-SWNTs,該方法還有望制備單一手性的SWNTs。


圖1磁場輔助浮動催化劑CVD的示意圖


圖2s-SWNTs的微結構表征


圖3s-SWNTs的電學性能測試

 
         
         
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