[发明专利]处理碳纳米管的方法、碳纳米管以及碳纳米管器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种处理碳纳米管的方法、经该方法处理的碳纳米管以及碳 纳米管器件。更具体地，本发明涉及一种有效、低成本分离/富集不同类型或 特性的碳纳米管，例如半导体性单壁碳纳米管(S-SWNTs)、金属性单壁碳纳 米管(M-SWNTs)和手性碳纳米管的方法、经该方法处理的碳纳米管以及包含 该碳纳米管的碳纳米管器件。

背景技术

碳纳米管(CNT)是一种具有纳米尺寸的一维材料，其具有许多优异的电 学、力学和化学特性。因此，碳纳米管正日益受到人们的关注。随着对纳米 材料研究的不断深入，碳纳米管的广阔应用前景也正不断的涌现，例如利用 其电学性能用于场发射电子源、纳米场效应晶体管、储氢材料以及高强度纤 维等。

根据形成管壁的碳原子的层数，可以将碳纳米管分为单壁碳纳米管 (SWNTs)和多壁碳纳米管(MWNT)，其中多壁碳纳米管可以理解为由不同直 径的单壁碳纳米管套装而成。在实际的研究和应用中，单壁碳纳米管、层数 较少的多壁碳纳米管由于拥有的性能突出而具有重要的地位。

根据单壁碳纳米管的电性能，可将单壁碳纳米管分为M-SWNTs和 S-SWNTs，前者例如可以用于场发射电子源和电极材料等，后者例如可以用 于纳米场效应晶体管和传感器等。然而，单壁碳纳米管通常生长为M-SWNTs 和S-SWNTs混合在一起的束状，由此限制了M-SWNTs和S-SWNTs各自的 应用。理论分析认为，根据单壁碳纳米管的直径和螺旋角度，单壁碳纳米管 中大约有1/3是金属性，而其余2/3则是半导体性的(Saito R et al.，Material Secience and Engineering，1993，B19：185-191)。但是，实际上，由于制备工艺 等条件的差异以及纯化处理等的原因，所得到的产物中两种特性的单壁碳纳 米管的比例并不严格的符合上述理论值。此外，随着碳原子管壁层数增加， 碳纳米管的金属性逐渐增加并最后变为金属性的。

常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法(或催化 裂解法)以及激光蒸发法等。由这些方法所制备的碳纳米管通常是M-SWNTs 和S-SWNTs的混合束。然而，为了将不同特性或类型的M-SWNTs和 S-SWNTs投入各自的实际应用领域，需要从所制备的混合产物中将不同导电 性能的单壁碳纳米管彼此分离。由此，碳纳米管的分离已成为当前研究的重 要课题之一。

目前，人们已经提出了多种利用M-SWNTs和S-SWNTs在化学、物理 性能方面的差异而分离碳纳米管的方法。

化学方法曾被认为是有效分离SWNTs的有希望的技术路线。在研究中 已证实某些化学/生物分子对SWNTs具有直径/特性选择性。在十八胺 (octadecylamine)[J.Am.Chem.Soc.2003，125，3370；Appl.Phys.Lett.2004，85， 1006]或卟啉[J.Am.Chem.Soc.2004，126，1014]的辅助下，从羧基官能化的 (carboxy-functionalized)SWNTs开始，可将S-SWNTs从M-SWNTs中分离出 来。此外，论文[Science 2003，301，1519]还报道了SWNTs中的选择性地共价 官能作用。但是，所有这些共价官能作用对SWNTs的原始结构和性质都是 破坏性的，由此处理后的碳纳米管的产率低。

将初始的SWNTs通过与溴的选择性相互作用，M-SWNTs基于所得的 样品的密度差异从S-SWNTs分离出来[Nano Lett.2003，3，1245]。最近，密度 梯度超速离心法[Nature Nanotechnology 2006，1，60]提供了通过直径、带隙和 电子特性对碳纳米管进行分类的可扩展方法。然而，该分离工艺耗时，并且 需要进行长时间的离心过滤，并且因此所需高成本的设备。

由DNA包裹的M-SWNTs和S-SWNTs通过阴离子交换色谱法或离心过 滤而被分离[Science 2003，302，1545；Nano Lett.2004，4，543]。但是，阴离子 交换色谱法分离的主要问题是成本高并且需要从SWNTs去除包裹的DNA。