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Nano Lett. | 选择性甲基化法制备半导体性单壁碳纳米管水平阵列编辑日期:2020-04-20 作者: 阅读次数:[关 闭]

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单壁碳纳米管具有完美的共轭管状结构与优异的物理及化学性质,在纳电子器件、能源存储及转换领域、功能复合材料以及催化剂载体等方面具有巨大的潜在应用前景。尤其在纳电子学领域,单壁碳纳米管被认为是后摩尔时代纳电子器件材料中最具潜力的材料之一。迄今为止,单壁碳纳米管已被广泛应用于许多电子器件,包括显示器、存储器、传感器、透明导电薄膜以及碳纳米管计算机等。然而,器件性能提高的基础在于材料,如何获得半导体性单壁碳纳米管水平阵列是解决单壁碳纳米管在纳电子学领域中真正应用的关键问题之一。同时,这也是目前单壁碳纳米管控制制备研究领域中最具有挑战性的问题之一。



为解决上述问题,温州大学胡悦团队提出了一种利用选择性甲基化法制备半导体性单壁碳纳米管水平阵列的方法。如图1所示,利用过氧化二叔丁基在紫外氙灯照射下分解成具有高反应活性的甲基自由基,选择性地与金属性单壁碳纳米管进行加成反应使之转变为半导体性单壁碳纳米管,最终使得整个单壁碳纳米管水平阵列呈现半导体性并在室温条件下可长期保持稳定性。此外,经过退火处理也可以使反应后的金属性单壁碳纳米管恢复金属性。 


研究小组利用多波长的拉曼激光对甲基化后的单壁碳纳米管进行检测,根据D峰(~1350 cm-1)与G峰(~1590 cm-1)的变化,证明了金属性单壁碳纳米管极易被甲基化,而半导体性单壁碳纳米管极难或略微被甲基化。研究小组继续探索不同反应时间,结合拉曼数据和电学测试的结果,得出最佳的反应时间为30分钟(见图3)。同时,又对甲基化后的金属性单壁碳纳米管进行退火处理,通过拉曼光谱和电学测试,证明甲基化后的金属性单壁碳纳米管在经过退火处理后能恢复为原状。最后,将甲基化反应应用于单壁碳纳米管水平阵列,成功制备出具有半导体性的单壁碳纳米管阵列,并且阵列中半导体性单壁碳纳米管的含量超过97.5%。此外,室温条件下大气中保存60天后,对甲基化后的单壁碳纳米管水平阵列重新进行电学测量,发现其半导体性能保持不变(见图4)。此方法旨在不破坏或移除金属性单壁碳纳米管,而是通过选择性甲基化反应使其转变为半导体性单壁碳纳米管,从而实现高性能场效应晶体管的构筑。此工作将为半导体性单壁碳纳米管水平阵列的制备提供一种全新思路。



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