蘇州納米所單手性碳納米管高純度分離技術研究獲進展

　　單手性碳納米管是一種頗具前途的電子和光電子材料，具有確定的能帶結構和近紅外吸收發射特性，在碳基集成電路、紅外光探測器與量子光源等方面有廣泛的應用前景，有望成為下一代碳基電子的核心材料。已有較多方法（如梯度密度離心法、凝膠色譜法、雙水相法）可分離得到多種單手性碳管，但這些單手性碳管的直徑基本在1.1納米以下，晶體管器件性能較低，未能體現出單手性碳管的結構特性。

　　中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所先進材料部李清文團隊在碳納米管可控分離及器件應用領域，發展出一系列共軛分子-碳納米管分離體系，可獲得高純度的半導體型單壁碳納米管（Chem. Comm. 2013, 49, 10492；Small 2016, 12, 4993；Carbon, 2016, 105, 448；Adv. Mater., 2017, 29, 1603565；Adv. Mater., 2018, 31, 1800750），并在碳納米管電子器件領域取得進展（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 15719；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 11699）。研究團隊與國內多個團隊合作，發現這些高純度半導體碳納米管在碳基集成電路和多功能電路領域的發展與應用（Adv. Mater. 2020, 32, 9, 1907288；Nat. Comm., 2021, 12, 1798）。

　　多年來，科研團隊致力于聚合物選擇性分離單手性碳管研究，合成和篩選了大量不同結構的共軛聚合物體系。研究發現，一些含吡啶單元的共聚物對1.2納米直徑的特定手性碳納米管具有獨特的選擇性。在此基礎上，研究團隊發展出兩種單手性碳管的高純度分離技術——增強超速離心技術（Enhanced Ultracentrifugation E-UCG）和多步提取技術（Stepwise Extraction Processing STEP）。研究分別得到了單手性純度為92.3%的(10,8)碳管和95.6%的(12,5)碳管，手性純度均為已報道的大直徑單手性碳管中的最高數值。這兩種單手性碳管的直徑分別為1.24納米和1.20納米，其S11吸收峰和熒光發射峰分別在1.50 μm和1.52 μm，均位于通信波長C波段，利于光學集成。科研人員利用(10,8)手性碳管制備出數百個納米級溝道長度的場效應晶體管，測試結果表明，其半導體純度達到99.94%。基于(10,8)手性碳管制備的微米級溝道薄膜晶體管的性能頗為出色，平均開關比約為106，遷移率達到61 cm2·V-1·s-1，高于目前已報道的溶液法制備的單手性碳管器件性能。該研究有助于更好的探究手性碳納米管與聚合物的結構對應關系，實現聚合物的高效篩選，同時，更高的單手性純度和更好的器件性將進一步促進碳基電子和光電子學的發展。

　　相關研究成果以High-Purity Monochiral Carbon Nanotubes with a 1.2 nm Diameter for High-Performance Field-Effect Transistors為題，發表在Advanced Functional Materials上（DOI：10.1002/adfm.202107119）。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和廣東省重點研發領域計劃等的資助。

圖1.(10,8)、(12,5)手性碳納米管的提純方法及其光譜特性

圖2.(10,8)、(12,5) 手性碳管與已報道結果的比較及其納米器件表征