進展｜碳納米管結構分離研究取得進展

碳納米管從概念上講是由石墨烯捲曲形成的一維管狀分子， 它不僅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， 而且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、高集成度電子和光電子集成回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， 一直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組劉華平研究員長期致力於碳納米管結構的分離，

發展了凝膠色譜法實現了直徑小於1 nm的多種單一手性碳納米管的分離製備（Nat. Commun. 2 (2011) 309）。 近年來通過溫度、乙醇以及多種表面活性劑分子協同作用（Nano Lett. 13 (2013) 1996,Nano Lett. 14 (2014) 6237,Nanoscale7 (2015) 16273,Adv. Mater. Interfaces4( 2017) 1700727）， 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， 大幅地提高了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回應性質， 與北京大學彭練矛教授研究團隊合作， 首次構建了性能優異的二維和三維碳納米管光電集成回路(Nat. Commun. 8 (2017)15649,Sci. Adv. 3 (2017) e1701456)。 然而目前凝膠色譜法分離製備的碳納米管直徑均小於1 nm。 對於直徑大於1.2 nm的單一手性碳納米管的分離一直是世界難題。 因為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。 但是理論研究表明在高性能電晶體方面的應用， 最佳的半導體碳納米管的直徑範圍為1.2-1.7 nm。

最近該課題組研究生楊德華、胡錦文以及劉華平研究員、周維亞研究員、解思深院士等人利用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， 實現了大直徑碳納米管（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集成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 Materials27 (2017) 1700278上。

該工作得到了國家自然科學基金（51472264, 11634014, 51361022）、中科院前沿科學重點研究計畫（QYZDB-SSW-SYS028）、中組部“青年千人”計畫和中科院“百人計畫”等專案的支持。

相關工作連結：

http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.201700278/abstract;jsessionid=A2B206635CF4C2DDCA68F11D484A716A.f02t04

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（下方標注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）光吸收譜表征；（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）。

編輯:小麵包

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