蘇州納米所高性能半導(dǎo)體性碳納米管分離純化研究獲進(jìn)展

　　單壁碳納米管（SWCNTs）具備優(yōu)異的電荷傳輸性能、良好的溶液加工性和高柔性、優(yōu)異的力學(xué)性能、較高的導(dǎo)熱性能、優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在電子器件和光電子器件應(yīng)用廣泛，如透明導(dǎo)電膜電極、薄膜晶體管、邏輯電路、柔性可穿戴電子器件、化學(xué)與生物傳感器、超級電容器與太陽能電池等。以SWCNTs作為有源層材料所制備的薄膜晶體管電學(xué)性能優(yōu)異、特征尺寸更小、穩(wěn)定性好、散熱更快、運(yùn)行頻率更高，表現(xiàn)出優(yōu)異的器件性能及極大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿??！　∧壳?，商用的通過大批量制備方法獲得的SWCNTs，都是具有不同手性和管徑的m-SWCNTs和s-SWCNTs的混合物。通過物理化學(xué)方法，大規(guī)模的選擇性富集大管徑半導(dǎo)體型單壁碳納米管，是實(shí)現(xiàn)高性能的電子器件和光電子器件性能的最有效的方法。共軛聚合物包覆法是選擇性分離半導(dǎo)體型單壁碳納米管的較為有效的方法。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所馬昌期研究團(tuán)隊(duì)和趙建文研究團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)合成了一系列可高效分離高純度半導(dǎo)體型單壁碳納米管的非線性聚合物PDPPb5T，并利用分離得到的墨水制備了性能優(yōu)異的晶體管器件。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在Nanoscale和Small上。

　　由于聚合物存在分子量多分散性和分子結(jié)構(gòu)不明確的特點(diǎn)，且聚合物的分子量對單壁碳納米管的分散和分離有較大影響，使選擇分離的單壁碳納米管在器件應(yīng)用中易于出現(xiàn)批次性差異，在一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用。有機(jī)小分子不存在批次間重復(fù)性差的問題，但有機(jī)小分子材料分子量較小，有機(jī)小分子與單壁碳納米管之間的π-π相互作用較弱，導(dǎo)致有機(jī)小分子分散的單壁碳納米管墨水的儲存穩(wěn)定性較差。為了實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管的穩(wěn)定分散，往往需要使用大量的分散劑，而大量分散劑的引入對于后續(xù)器件性能有一定影響。

　　近日，馬昌期研究團(tuán)隊(duì)和趙建文研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用可控合成的方法，制備合成了兼具聚合物高分離效率和小分子批次間重復(fù)性好的外圍功能化修飾的樹枝型結(jié)構(gòu)的共軛化合物（圖1），并利用該類樹形化合物進(jìn)行了SWCNT的選擇性分離研究。結(jié)果表明，同線性化合物相比，具有三維樹枝狀的化合物具有更強(qiáng)的SWCNT分散能力（圖2）。這與樹枝型化合物外圍多個(gè)功能單元，從而獲得更強(qiáng)的分子間相互作用能力（圖3）。利用該樹形化合物分離的半導(dǎo)體型單壁碳納米管墨水并印刷構(gòu)建的碳納米管薄膜晶體管，實(shí)現(xiàn)了高達(dá)57cm2 V-1 s-1的空穴遷移率，開關(guān)比高達(dá)106，亞閾值擺幅為87-100mV dec-1（圖4左）。同時(shí)，歸功于其具有明確的分子結(jié)構(gòu)，所形成的樹形化合物和半導(dǎo)體型單壁碳納米管的復(fù)合物，具有更好的批次重復(fù)性和墨水儲存穩(wěn)定性（圖4右）。研究表明，具有明確結(jié)構(gòu)的樹枝狀結(jié)構(gòu)的化合物是一類理想的單壁碳納米管的分離材料，由于該類化合物具有明確的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可通過化學(xué)裁剪的方法在其不同位置進(jìn)行精確地可控地功能化修飾，使之成為研究材料結(jié)構(gòu)-性能的優(yōu)越的模型化合物。

　　研究成果在線發(fā)表在Advanced Functional Materials上，并申請發(fā)明專利3項(xiàng)，PCT專利一項(xiàng)。該研究項(xiàng)目獲得了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目，中科院前沿研究項(xiàng)目，中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)以及蘇州納米所自有項(xiàng)目等的支持。

　　論文鏈接 

圖1.樹形化合物DOT-p-DPP的化學(xué)結(jié)構(gòu)

　　圖2.利用樹枝型DPP化合物選擇性分離半導(dǎo)體型SWCNT的復(fù)合物吸收光譜圖（左）以及兩個(gè)化合物與線性共軛聚合物PFO的對SWCNT的分離能力對比

圖3.樹形化合物6T-p-DPP包覆單壁碳納米管相互作用模擬計(jì)算結(jié)果

　　圖4.利用6T-p-DPP/SWCNT復(fù)合物制備的薄膜晶體管性能（左圖）， 不同批次、儲存不同時(shí)間的單壁碳納米管墨水制備的底柵晶體管器件的性能圖（右圖）