[发明专利]一种用于场效应晶体管的单一手性单壁碳纳米管的分离方法

说明书

技术领域    

本发明属于碳纳米管技术领域，具体涉及一种用于场效应晶体管，通过手性和/或直径分离单壁碳纳米管的分离方法。

背景技术  

自1993年报道了单壁碳纳米管（SWNT）以来， SWNT以其独特的一维纳米结构，优异的电子学、光学、热力学等性质被认为是制备新一代集成电路的理想候选材料。它最重要的应用之一是用来制备单壁碳纳米管场效应晶体管（FET），主要是因为SWNT中载流子的传输是一维的，载流子散射的相空间减小，反向散射受到强烈抑制，因而具有极高的载流子迁移率。而高载流子迁移率则使得工作电流大，延迟时间短，因此，SWNT作为导电沟道将使得FET的速度大大的提高。另外，SWNT的直径通常在1～２nm范围，载流子被限域在非常狭小的空间范围内运动，因此可以有效地抑制短沟效应，使得理想的静电学控制成为可能。

理论上SWNT可看作是由单层石墨烯片层按照一定的晶体学矢量方向卷曲而成的无缝空心圆筒，不同的卷曲方向和管径决定了不同种类的SWNT,这可由卷曲矢量C_h=na₁+ma₂≡(n,m)来表征。其中a₁和a₂为石墨层六角网格的基矢，n和m均为整数，代表所有可能的螺旋矢量。当C_h和a₁的夹角在0～30℃范围内时，任一组整数（n，m）都对应一种卷曲方式，形成不同的结构。SWNT中大约33%是金属型，67%是半导体型。而在半导体型SWNT中也包含了不同手性的碳管。

半导体型SWNT由于具有较高的载流子迁移率而使其在FET方面的应用被寄予厚望。然而，由于金属性SWNT的混入使得FET的场迁移率以及on/off 值大大降低，与半导体性SWNT的相互作用也会使半导体管发生近红外荧光发生淬灭，另外，不同手性的半导体性SWNT混合也会降低其在器件中的灵敏度，从而限制了其在FET中的应用。

因此，为了获得最佳的器件性能，半导体性SWNT带隙分布即直径分布越窄越好，因为直径分布窄可以减少SWNT的手性种类，从而获得具有特定手性的半导体性SWNT。要获得单一手性的半导体性SWNT,则需要选择性制备半导体性碳管，或者从混合物中把半导体性碳管分离出来。鉴于控制生长上的难度，一般采用金属性和半导体性SWNT的分离来实现。

SWNT分离研究的主要理论依据是基于不同手性碳管具有的不同化学与电子结构，及其由此决定的微弱的物理和化学性质差异。目前用于分离SWNT的方法有DNA缠绕色谱法，密度梯度离心法（DGU），介电泳法，琼脂糖凝胶电泳法以及选择性化学修饰法等。利用前两种分离方法，已经有研究人员得到单一手性的SWNT，但是利用DNA缠绕色谱法，实验过程比较繁琐、低效且成本高，另外碳管表面包裹的DNA片段也难以去除从而会影响碳管的电子学性能。用DGU方法来量产单一手性半导体性SWNT,该方法具有较好的前景。

发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单，低成本，效率高，可规模化生产的用于场效应晶体管的单一手性半导体性单壁碳纳米管的分离方法，以克服现有DGU分离方法中的各种缺点和不足。

本发明提供的单一手性半导体性单壁碳纳米管的分离方法及其在场效应晶体管中的应用，具体步骤如下：

（1）碘吸附单壁碳纳米管原液的制备 

将10mg原料单壁碳纳米管（SWNT）以及30mg碘颗粒放入容器中在30℃下搅拌1-20h，经过充分的吸附，SWNT表面吸附的碘含量在0.5-10wt%范围内；而后将吸附碘的SWNT分散在质量分数为0.2-2%的十二烷基硫酸钠（SDS）溶液中制得I-SWCNTs／SDS分散液，用于密度梯度离心过程。

（2）非线性密度梯度离心法制备单一手性半导体性SWNT

非线性密度梯度液是通过在聚碳酸酯离心管中从上往下铺2.0, 1.0, 0.5以及 0.5 cm的质量体积浓度为17.5, 22.5, 32.5以及40%的碘克沙醇溶液而制得的；每层碘克沙醇溶液中均含有与I-SWCNTs／SDS分散液中一致浓度的SDS；然后将0.2-0.5ml的I-SWCNTs／SDS分散液加入到密度梯度柱的顶端，在离心力为150000-250000g下超速离心10-20h，经过离心后，离心管中出现不同的色带，用微量移液管将不同色带的SWNT溶液取出，用聚四氟乙烯滤膜过滤，并用乙醇进行充分洗涤则可得到单一手性半导体性SWNT。

（3）场效应晶体管的制备