苏州纳米所李清文团队在单手性碳纳米管高纯度分离技术领域取得进展

单手性碳纳米管是一种很有前途的电子和光电子材料，具有确定的能带结构和近红外吸收发射特性，在碳基集成电路，红外光探测器和量子光源等方面有着很高的应用前景，有望成为下一代碳基电子的核心材料。尽管已经有许多方法(如梯度密度离心法、凝胶色谱法、双水相法)可以分离得到多种单手性碳管，但是这些单手性碳管的直径基本在1.1纳米以下，晶体管器件性能较低，未能体现出单手性碳管的结构特性。   中科院苏州纳米所先进材料部李清文团队在碳纳米管可控分离及器件应用领域已开展了十几年的研究，发展了一系列共轭分子-碳纳米管分离体系，可以获得高纯度的半导体型单壁碳纳米管 (Chem. Comm. 2013, 49, 10492; Small 2016, 12, 4993; Carbon, 2016, 105, 448; Adv. Mater., 2017, 29, 1603565; Adv. Mater., 2018, 31, 1800750)，并在碳纳米管电子器件领域有着一定的进展（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 15719; ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 11699）。研究团队与国内多个团队开展了深入合作，发现这些高纯度半导体碳纳米管在碳基集成电路和多功能电路领域实现了众多突破，获得了广泛应用。（Adv. Mater. 2020, 32, 9, 1907288; Nat. Comm., 2021, 12, 1798）

多年来研究团队一直在聚合物选择性分离单手性碳管方向展开深入的研究，合成和筛选了大量不同结构的共轭聚合物体系。发现其中一些含吡啶单元的共聚物对1.2纳米直径的特定手性碳纳米管具有独特的选择性。在此基础上，团队发展了两种单手性碳管的高纯度分离技术：增强超速离心技术（Enhanced Ultracentrifugation E-UCG)和多步提取技术（Stepwise Extraction Processing STEP)。分别得到了单手性纯度为92.3%的(10,8) 碳管和95.6%的(12,5) 碳管，手性纯度均为已报道的大直径单手性碳管中的最高数值。这两种单手性碳管的直径分别为1.24纳米和1.20纳米，其S11吸收峰和荧光发射峰分别在1.50 μm和1.52 μm，均位于通信波长C波段，十分有利于光学集成。研究团队利用 (10,8) 手性碳管制备了数百个纳米级沟道长度的场效应晶体管，测试结果表明，其半导体纯度达到99.94%。基于 (10,8) 手性碳管制备的微米级沟道薄膜晶体管的性能也很出色，平均开关比约为10⁶，迁移率达到61 cm²·V^-1·s^-1，远高于目前已报道的溶液法制备的单手性碳管器件性能。这些结果有助于研究人员更好的理解手性碳纳米管与聚合物的结构对应关系，实现聚合物的高效筛选，更高的单手性纯度和更好的器件性能将进一步促进碳基电子和光电子学的发展。

相关成果以“High-Purity Monochiral Carbon Nanotubes with a 1.2 nm Diameter for High-Performance Field-Effect Transistors”为题发表在学术期刊Advanced Functional Materials上（DOI :10.1002/adfm.202107119）。论文的第一作者是中科院纳米所博士生李亚辉，通讯作者为邱松研究员和李清文研究员。本工作得到了国家重点研发计划 (2020YFA0714700,)，国家自然科学基金 (22075312, 21773292)和广东省重点研发领域计划 (2019B010934001) 等项目的资助。

图1 (10,8)、(12,5) 手性碳纳米管的提纯方法及其光谱特性

图2  (10,8)、(12,5) 手性碳管与已报道结果的比较及其纳米器件表征