单分散单壁碳纳米管群体及其制造方法技术

本发明专利技术涉及一种单分散单壁碳纳米管群体及其制造方法，更具体，涉及直径大于的单壁碳纳米管群体，其中所述单壁碳纳米管群体中的大于70％为半导体型的单壁碳纳米管。本发明专利技术还提供了包含这种单壁碳纳米管群体的制品。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术涉及一种，更具体，涉及直径大于的单壁碳纳米管群体，其中所述单壁碳纳米管群体中的大于70％为半导体型的单壁碳纳米管。本专利技术还提供了包含这种单壁碳纳米管群体的制品。【专利说明】本申请是专利技术专利申请第200780032506.9号的分案申请，母案是国际申请PCT/US2007/019064的中国国家阶段申请，申请日为2007年8月29日，专利技术名称为“”。
技术介绍
碳纳米管的尺寸为纳米级，并且具有优异的材料性能，例如弹道电导性、在高电流密度下无电迁移效应以及透明传导性，因此近年来碳纳米管受到了广泛的关注。然而，合成的碳纳米管在直径和手性角上存在差异，这些物理差异导致其电学和光学行为显著不同。例如，在所有可能的单壁碳纳米管(SWNT)中，大约三分之一呈现金属特性，而其余三分之二表现为半导体。此外，半导体SWNT的带隙的大小与管径成反比关系。例如，通过激光烧蚀法制造的半导体SWNT的直径范围约为11-16 A，且其光带隙范围约为0.65-0.95eV。现有的合成SWNT存在不可避免的结构非均匀性，这阻碍了它们作为高性能的场效应晶体管、光电近红外发射器/检测器、化学传感器、集成电路互连材料和复合材料中的导电添加剂的广泛应用。因此，除非能够制造或获得大量的单分散SWNT，否则SWNT的应用将受到局限。 尽管最近已经提出了几种SWNT纯化方法，但现有技术还未报导在较宽的直径和带隙范围上同时实现直径和带隙选择性、导电类型(金属性或半导体型)选择性和可放大性(scalability)。此外，大多数技术的效果有限，其中有许多仅对直径小于约11 A的SWNT有效。这个限制十分关键，因为对于电子器件来说最重要的那些SWNT由于要形成电阻较小(即，减小的肖特基势垒)的接触而通常直径较大。介电电泳法和受控电击穿法均受限于可放大性而只对导电类型(而非直径或带隙)敏感。另外，重氮盐与金属SWNT的选择性化学反应仅适用于直径为742 A的SWNT，并且这种方法无法提供直径和带隙选择性。更严重的问题是，化学物质还造成纳米管侧壁的共价键断裂(covalent degradat1n)。此外，在有机溶剂中使用胺封端的表面活性剂只能用于制造仅有92%的半导体性的样品，而且该技术仅仅成功地应用于直线小于或约为10 A的SWNT。类似地，虽然通过阴离子交换色谱观测到了直径和导电类型选择性，但是这种方法仅适用于直径为7-11 由特定DNA低聚物缠绕的SWNT。
技术实现思路
综上所述,本专利技术的一个目的是提供包含多个碳纳米管的组合物(composit1n),所述碳纳米管在其结构和/或特性(特别是直径、带隙、手性和/或导电类型(金属型或半导体型))方面基本上具有单分散性。为了提供这种基本单分散的碳纳米管，本专利技术还涉及一种或更多种方法和/或系统，所述方法和/或系统可用于分离在结构上和/或特性上非均一的碳纳米管，从而克服现有技术中的(包括上面提到的)各种缺陷和不足。 本领域技术人员应当理解，本专利技术的一种或更多种实施方式可以实现某些目的，而一种或更多种其它实施方式可实现另一些目的。本专利技术的每种实施方式并不一定要实现所有目的。因此，以下目的对于本专利技术的某一实施方式来说是可选的。 本专利技术的另一个目的是提供用于分离任何直径或长度的碳纳米管的方法和相关系统，这些方法和系统与各种纳米管制造技术相容并且可以实现实际尺寸级别上的分离。 本专利技术的另一个目的是提供根据导电类型来分离任何直径和/或手性的碳纳米管的方法和相关系统。 本专利技术的另一个目的是提供根据直径来分离任何手性和/或导电类型的碳纳米管的方法和相关系统。 本专利技术的另一个目的是提供根据手性来分离碳纳米管的方法和相关系统，所述方法和系统可以与特定直径和/或导电类型相关。 本专利技术的另一个目的是提供一些表面活性组分及其用途，其用于设计由表面活性组分和碳纳米管的非均一样品形成的复合物的浮力密度差异，从而可以根据结构和/性质(包括但不限于手性、直径、带隙和/或导电类型)来分离纳米管。 本专利技术的另一个目的是提供可以与现有的自动化技术相结合并且可以放大到商业生产规模的分离方法和系统。 具备碳纳米管的制备、性质和相关分离技术知识的本领域技术人员，通过
技术实现思路
部分以及下面的【具体实施方式】部分的描述，能够清楚地了解本专利技术的其它目的、特点和优点。通过实施例、数据、附图以及所有的合理推测，并且考虑本文结合的参考文献，本专利技术的目的、特点、效果和优点将是清楚的。 本专利技术部分地涉及一种利用密度梯度来分离单壁碳纳米管的方法，其中所述密度梯度由液体介质提供。这种方法可以包括:将包含密度梯度的液体介质和包含第一表面活性组分、第二表面活性组分和单壁碳纳米管混合物的组合物离心以使所述混合物沿密度梯度分离；以及从液体介质中离析包含经分离的单壁碳纳米管的分离级分(separat1nfract1n)。更具体地，单壁碳纳米管的混合物可以包括各种直径、手性和/或导电类型的碳纳米管，并且第一表面活性组分与第二表面活性组分之比可以不同于4: I。 如这里所述，应当理解，离析分离级分通常得到由表面活性组分和单壁碳纳米管混合物形成的复合物，而离析之后的处理(例如，通过洗涤、透析和/或过滤)从SWNT去除表面活性组分可以得到基本上纯的或裸(bare)的碳纳米管。然而，为了简便起见，在本文中除了“复合物”之外也可以使用单壁碳纳米管混合物这样的称谓，并且除非特别声明是指非复合的单壁碳纳米管(即裸的SWNT)，本文所称“单壁碳纳米管混合物”应当根据说明书上下文被解释成包括复合物。 在某些实施方式中，第一表面活性组分可以是胆汁盐，第二表面活性组分可以是阴离子型烷基两性分子(amphiphile)。可将液体介质和组合物离心一段时间和/或在一定转速下离心，以足以将混合物沿密度梯度至少部分地分离。用这种方法分离纳米管时，不受直径、手性和/或导电类型的限制。在某些实施方式中，混合物中的单壁碳纳米管可以各自独立地具有高达约20人或更大的多种直径。在某些实施方式中，直径可为约7-ΠΑ，而在某些其它实施方式中，直径可大于约11 A (例如，约11-16Α)。非限制地，分离级分中可以提供并随后离析出经分离的窄分布单壁碳纳米管。例如，在某些实施方式中，大于约70%的经分离的单壁碳纳米管可为半导体型。在其它实施方式中，大于约50%的经分离的单壁碳纳米管可为金属型。在某些实施方式中，该方法可以包括对经分离的单壁碳纳米管进行离析后处理，以提供裸的单壁碳纳米管。在某些实施方式中，该方法还可以包括对分离级分重复进行离心和离析步骤。 本专利技术还部分地涉及一种利用密度梯度基于导电类型来分离单壁碳纳米管的方法，其中密度梯度由液体介质提供。这种方法可以包括:将包含密度梯度的液体介质和包含单壁碳纳米管混合物(包含半导体型单壁碳纳米管和金属型单壁碳纳米管两者)和至少两种表面活性组分(例如，第一表面活性组分和第二表面活性组分)的组合物离心以使所述混合物沿密度梯度分离；以及从液体介质中离析基本为半导体型的分离级分或基本为金属型的分离级分。本文所用的“基本为半导体型的分离级分”是指所述分离级分中的大部分是半导体型单壁碳纳米管，或者是指所述分离级分包括高浓度或本文档来自技高网...

【技术保护点】
直径大于的单壁碳纳米管群体，其中所述单壁碳纳米管群体中的大于70％为半导体型的单壁碳纳米管。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·S·阿诺德，马克·C·何萨姆，塞缪尔·I·斯图普，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：美国;US