单壁碳纳米管及其选择性提取方法与应用技术

本发明专利技术揭示了一种具有特定管径的单壁碳纳米管及其选择性提取方法与应用，所述提取方法包括步骤：在有机溶剂中，将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物通过分散技术形成分散液；其中，所述共轭聚合物为其主链具有扭曲结构的共轭聚合物；通过离心处理所述分散液，取上层清液；得到高纯度的管径范围为1.1～1.3nm的单壁碳纳米管。与现有技术相比，本发明专利技术通过其主链具有扭曲结构的共轭聚合物，从原料中选择性提取出管径范围为1.1～1.3nm的单壁碳纳米管，不仅方法简单高效，利于规模化生产；而且产品纯度高且管径范围集中，在微纳米级电子器件应用方面表现出优异性能，具有极高的应用价值；而且通过本发明专利技术的提取方法，还可获得高纯度单手性单壁碳纳米管，具有更优越的性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于碳纳米管
，涉及一种单壁碳纳米管及其选择性提取方法与应用，尤其是一种具有特定管径的单壁碳纳米管、其选择性提取方法、及具有该单壁碳纳米管的微纳米级电子器件。
技术介绍
单壁碳纳米管(SWCNTs)具有独特的一维纳米结构，被认为是纳米领域最有潜力的材料。尤其是半导体型单壁碳纳米管(s-SWCNTs)，其本征载流子迁移率高达70000cm2V-1s-1，且无需掺杂即可实现空穴和电子的双极性传输，因此在集成电路中的应用被寄予厚望，被视为后摩尔时代的半导体材料。目前合成SWCNTs的方法包括化学气相沉积法、电弧法和激光蒸发法等，但得到的都是不同管径、导电属性和手性的SWCNTs混合物。然而具有不同直径和手性的s-SWCNTs会对器件阵列的均一性和一致性带来巨大问题，尤其在微纳米级电子器件中影响更大，因此在规模集成电路方面的应用需要s-SWCNTs的直径分布和手性分布越窄越好。这就需要从合成的SWCNTs混合物中分离出直径分布和手性分布更窄的s-SWCNTs。但是，SWCNTs的分离主要是基于不同手性的碳纳米管之间由于化学和电子结构的不同而形成的微弱物理和化学性质差异，而由于不同类型的单壁碳纳米管的组成和化学性质之间的差异十分微小，使得单壁碳纳米管的分离特别是手性和直径的分离仍面临很多困难。近年来特定直径和手性结构的SWCNTs分离技术得到了迅速发展，根据分散碳纳米管的分散剂材料不同可以分为表面活性剂体系、生物分子体系 和共轭分子体系，其在应用时各有优缺点。其中，共轭分子体系只需经过简单的超声和离心过程就可以实现对单壁碳纳米管的手性选择性分离，其工艺简单且易于放大，因此引起广泛关注。目前，利用共轭聚合物已经可以分离出(7,5)、(8,6)等较小管径的碳纳米管，并有少量晶体管器件的报道，但性能普遍偏低。但是，最适合用于半导体电子器件的s-SWCNTs的管径一般在1.1-1.3nm范围，目前能够高纯度分离得到该管径范围的SWCNTs的技术还比较少，尤其是得到高纯度的具有该管径范围的单手性单壁碳纳米管的技术尚无报道。
技术实现思路
为至少解决上述技术问题之一，本专利技术的目的在于提供一种具有特定管径的单壁碳纳米管、其选择性提取方法、及具有其的微纳米级电子器件和微纳米级电子器件的生产方法，单壁碳纳米管的管径范围为1.1～1.3nm，且具有很高的半导体纯度，性能优良。为解决上述专利技术目的之一，本专利技术一实施方式提供一种具有特定管径的单壁碳纳米管的选择性提取方法，所述提取方法包括步骤：在有机溶剂中，将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物通过分散技术形成分散液；通过离心处理所述分散液，取上层清液；得到高纯度的管径范围为1.1～1.3nm的单壁碳纳米管；其中，所述共轭聚合物为其主链具有扭曲结构的共轭聚合物。作为本专利技术一实施方式的进一步改进，所述共轭聚合物为具有下式所示分子结构的聚合物的任意一种。进一步的，所述共轭聚合物中，任意两个R可设置为相同或不同，且分别为具有6～16个碳原子的直链烷基。作为本专利技术一实施方式的进一步改进，所述步骤“在有机溶剂中，将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物通过分散技术形成分散液”中，所述分散技术为超声或剪切或喷射或乳化或球磨。作为本专利技术一实施方式的进一步改进，所述单壁碳纳米管原料的制备方法为化学气相沉积法或电弧放电法或等离子体放电法或激光烧蚀法。作为本专利技术一实施方式的进一步改进，所述提取方法得到的单壁碳纳米管可进一步优选为含量超过70％的单手性单壁碳纳米管，，且为纯度高于98％的半导体型单壁碳纳米管。相应的，本专利技术一实施方式还提供一种具有特定管径的单壁碳纳米管，所述单壁碳纳米管由如上所述的提取方法制得，所述单壁碳纳米管的管径范围为1.1～1.3nm。作为本专利技术一实施方式的进一步改进，所述单壁碳纳米管为含量超过70％的单手性单壁碳纳米管，且为纯度高于98％的半导体单壁碳纳米管。相应的，本专利技术一实施方式还提供一种微纳米级电子器件，所述微纳米级电子器件中以如上所述的单壁碳纳米管作为半导体部分。相应的，本专利技术一实施方式还提供一种如上所述的微纳米级电子器件的生 产方法，所述生产方法包括步骤：将单壁碳纳米管的溶液涂覆于基底上形成薄膜，所述单壁碳纳米管的管径范围为1.1～1.3nm；利用光刻和刻蚀技术对所述薄膜进行微纳米级图案化；以所述图案化薄膜作为半导体部分，得到所述微纳米级电子器件。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益技术效果：通过其主链具有扭曲结构的共轭聚合物，从原料中选择性提取出具有特定管径范围的单壁碳纳米管，管径范围为1.1～1.3nm，不仅方法简单高效，利于规模化生产；而且产品纯度高且管径范围集中，在微纳米级电子器件应用方面表现出优异性能；而且通过本专利技术的提取方法，还可获得高纯度单手性单壁碳纳米管，具有更优越的性能，在集成电路、传感器和柔性电子等领域均具有极高的应用价值。附图说明图1是本专利技术一实施方式的具有特定管径的单壁碳纳米管的选择性提取方法的流程图；图2是实施例1中经离心分离后所获上清液的紫外-可见-近红外吸收光谱图；图3是实施例2中经离心分离后所获上清液的紫外-可见-近红外吸收光谱图；图4是实施例2中经离心分离后所获上清液的二维荧光(PLE)图；图5是是本专利技术一实施方式的微纳米级电子器件的生产方法的流程图；图6是实施例3中所获半导体单壁碳纳米管薄膜的扫描电镜图；图7是实施例3中一种晶体管器件在源漏电压为-1V时的转移曲线图。具体实施方式以下将结合附图所示的具体实施方式对本专利技术进行详细描述。但这些实施方式并不限制本专利技术，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出 的结构、方法、或功能上的变换均包含在本专利技术的保护范围内。参看图1，图1是本专利技术一实施方式的具有特定管径的单壁碳纳米管的选择性提取方法的流程图，所述提取方法包括步骤：在有机溶剂中，将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物通过分散技术形成分散液；其中，所述共轭聚合物为其主链具有扭曲结构的共轭聚合物；通过离心处理所述分散液，取上层清液；得到高纯度的管径范围为1.1～1.3nm的单壁碳纳米管。具体地，所述共轭聚合物为具有下式所示分子结构的聚合物的任意一种。其中，在上式所示的分子结构中，任意两个R可设置为相同或不同，也即，不同所述共轭聚合物的R可设置为相同或不同，同一所述共轭聚合物的R也可设置为相同或不同。R分别为具有6～16个碳原子的直链烷基；聚合物的数均分子量为4000到60000。该类聚合物可以通过Suzuki聚合反应合成，其合成路线以下式为例：另外，所述有机溶剂为甲苯、二甲苯、氯苯、二氧六环、氯仿、二氯甲烷、NMP、己烷、环己烷、DMF中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。所述单壁碳纳米管原料的制备方法可为化学气相沉积法或电弧放电法或等离子体放电法或激光烧蚀法，通过上述方法制备的单壁碳纳米管原料混杂有金属性的单壁碳纳米管(m-SWCNTs)和半导体型单壁碳纳米管(s-SWCNTs)，单壁碳纳米管原料的管径范围为0.6～1.8nm。。在步骤“在有机溶剂中，将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物通过分散技术形成分散液”中，所述分散技术包括超声、球磨、剪切、乳化、震荡等方法中的至少一种。本专利技术一实施方式中，将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物加入到有机溶剂中，通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有特定管径的单壁碳纳米管的选择性提取方法，其特征在于，所述提取方法包括步骤：在有机溶剂中，将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物通过分散技术形成分散液；其中，所述共轭聚合物为其主链具有扭曲结构的共轭聚合物；通过离心处理所述分散液，取上层清液；得到高纯度的管径范围为1.1～1.3nm的单壁碳纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种具有特定管径的单壁碳纳米管的选择性提取方法，其特征在于，所述提取方法包括步骤：在有机溶剂中，将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物通过分散技术形成分散液；其中，所述共轭聚合物为其主链具有扭曲结构的共轭聚合物；通过离心处理所述分散液，取上层清液；得到高纯度的管径范围为1.1～1.3nm的单壁碳纳米管。2.根据权利要求1所述的具有特定管径的单壁碳纳米管的选择性提取方法，其特征在于，所述共轭聚合物为具有下式所示分子结构的聚合物的任意一种。3.根据权利要求2所述的具有特定管径的单壁碳纳米管的选择性提取方法，其特征在于，所述共轭聚合物中，任意两个R可设置为相同或不同，且分别为具有6～16个碳原子的直链烷基。4.根据权利要求1所述的具有特定管径的单壁碳纳米管的选择性提取方法，其特征在于，所述步骤“在有机溶剂中，将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物通过分散技术形成分散液”中，所述分散技术为超声或剪切或喷射或乳化或球磨。5.根据权利要求1所述的具有特定管径的单壁碳纳米管的选择性提取方法，其特征在于，所述单壁碳纳米管原料的制备方法为化学气相沉积法或电弧放电...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱松，李红波，韩杰，金赫华，
申请(专利权)人：苏州希印纳米科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32