一种高纯度半导体型碳纳米管及其批量分离方法与应用技术

本发明专利技术揭示了一种高纯度半导体型单壁碳纳米管的批量分离方法，用于分散单壁碳纳米管的聚合物为含有特定侧链结构的聚咔唑衍生物。通过将单壁碳纳米管与上述聚咔唑衍生物批量制成均匀的分散液；通过批量分离技术处理所述分散液，得到高纯度的半导体型单壁碳纳米管，且半导体纯度可以达到99.9％以上。与现有技术相比，本发明专利技术适于工业级批量制备高纯度半导体型单壁碳纳米管材料，使用这类半导体材料能够制备出高性能微纳米器件和复杂集成电路。这种高纯度半导体型单壁碳纳米管的分离方法及器件的制备在新型显示、传感器、柔性电子等领域均具有极高的应用价值。

【技术实现步骤摘要】
一种高纯度半导体型碳纳米管及其批量分离方法与应用
本专利技术属于碳纳米管
，涉及一种高纯度半导体型单壁碳纳米管及其批量分离方法及应用。
技术介绍
半导体型单壁碳纳米管(s-SWCNTs)是一种优异的半导体材料，其本征载流子迁移率高达70000cm2V-1s-1。作为单晶硅的潜在替代者，s-SWCNTs在规模集成电路方面的应用被寄予厚望。合成单壁碳纳米管(SWCNTs)的方法如化学气相沉积法、电弧法和激光蒸发法得到的都是不同管径、导电属性的SWCNTs混合物。近十年来，为了获得高纯度s-SWCNTs，选择性分离技术得到了长足的发展，主要包括：选择性化学修饰、梯度密度离心法、DNA包裹的离子交换色谱法，凝胶电泳及柱色谱法等。这些分离技术实现了金属/半导体型单壁碳纳米管的分离，但是这些分离技术均需先用大量绝缘的表面活性剂分散单壁碳纳米管(SWCNTs)，在进一步制备器件时，为了去除碳管溶液中的表面活性剂，需要水洗、酸处理、热处理等耗时、复杂的程序；同时，即使通过这些步骤，仍有表面活性剂的残留，这些绝缘物质的存在，使单壁碳纳米管(SWCNTs)即使形成互相搭接的网络结构，但单壁碳纳米管(SWCNTs)之间仍存在较大的电阻，导致了电子器件性能很难提高；更重要的是，器件的重现性和稳定性都很差。近五年来，基于共轭聚合物选择性分散s-SWCNTs的分离技术得到了快速发展。商用化s-SWCNTs的半导体纯度已达到99％。但此时器件的迁移率一般多在20cm2/Vs左右，且器件尺寸很难降低到5微米以下，如果器件尺寸继续降低，则少量m-SWCNTs的存在会导致器件开关比大幅度下降。在近红外光探测器和光伏器件方面，金属管的存在会带来明显的暗电流，因此对半导体纯度更加敏感。而当应用目标是逻辑电路阵列或集成电路，即使微量存在(<0.1％)的金属型单壁碳纳米管仍然会对器件阵列的均一性和一致性带来巨大问题，对集成电路的影响就更大。目前，在集成电路领域，晶体硅的工业级纯度标准是6N，对应s-SWCNTs的纯度必须达到4N(99.99％)以上时，其电路中器件的尺寸才可以控制在百纳米到2微米之间，即小于等于单根s-SWCNTs的长度。在这一尺度下，s-SWCNTs基电路才可能具有与硅基电路提并论的竞争性和应用价值。迄今为止，同时满足高纯度和批量化分离半导体型碳纳米管的技术目前尚无报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种高纯度半导体型单壁碳纳米管及其批量分离方法及微纳米级电子器件和集成电路及其制备方法。为解决上述专利技术目的之一，本专利技术提供一种高纯度半导体型单壁碳纳米管及其批量分离方法；本专利技术的目的还在于提供一种微纳米级器件和电路及其制备方法。其中，高纯度半导体型单壁碳纳米管的批量分离方法包括以下步骤：在有机溶剂中，将单壁碳纳米管与聚咔唑衍生物混合并均匀分散成分散液，分散方式为使用工业级设备进行高速剪切或喷射或乳化或球磨，且单批分散能力大于10升；通过色谱柱过滤或滤膜过滤所述分散液中未被分散的固体物质，且单批分离能力大于5升，得到高纯度半导体型单壁碳纳米管，所述半导体型单壁碳纳米管的纯度大于99.99％，其中，所述聚咔唑衍生物选自下式所示聚合物分子结构中的任意一种，Ar为芳香基团，选自联苯、联噻吩、联吡啶、苯并噻二唑中的任意一种或两种的组合及其烷基化衍生物，所述聚咔唑衍生物中，咔唑基团侧链上与氮原子相连的叔碳基团分别再连接两个烷基R，两个R相同或不同，分别为具有6～16个碳原子的直链烷基。作为本专利技术的进一步改进，所述有机溶剂为正己烷、环己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、氯苯、二氧六环、乙醇、丙酮、醋酸丁酯、乙二醇甲醚醋酸酯、二氯苯、N，N-二甲基甲酰胺、环己酮、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、硝基苯中的一种或两种以上的组合。作为本专利技术的进一步改进，所述单壁碳纳米管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，所述单壁碳纳米管的管径范围为0.8～2nm。作为本专利技术的进一步改进，得到的半导体型单壁碳纳米管的管径范围为1.0～1.8nm。相应地，一种半导体型单壁碳纳米管，所述半导体型单壁碳纳米管由上述任意一项所述的批量分离方法制得，所述半导体型单壁碳纳米管的管径范围为1.0～1.8nm，纯度大于99.99％。相应地，一种应用上述半导体型单壁碳纳米管构建微纳米级器件与电路的方法，其特征在于，包括以下步骤：将半导体型单壁碳纳米管材料附着在基底上形成均匀薄膜；对所述薄膜进行微纳米级图案化以及表面与界面处理；以所述图案化薄膜作为微纳米级电子器件的半导体部分。相应地，一种微纳米级器件与电路，所述微纳米级器件与电路由上述构建微纳米级器件与电路的方法制得。与现有技术相比，本专利技术揭示了一种超高纯度半导体型单壁碳纳米管的批量分离方法，通过一类具有高选择性的聚咔唑衍生物，本专利技术适于工业级批量制备高纯度半导体型单壁碳纳米管，且半导体纯度可以达到99.99％以上。使用这类半导体单壁碳纳米管能够制备高性能的微纳米级别的电子器件和集成电路性能优越，均一性和成功率都很高。这种高纯度半导体型单壁碳纳米管的分离方法及器件的制备在显示、传感器、柔性电子等领域均具有极高的应用价值。附图说明图1是本专利技术实施例1，2，3中三种聚合物分散的半导体碳纳米管产物的紫外-可见-近红外吸收光谱。图2是本专利技术实施例1中的半导体型单壁碳纳米管薄膜的原子力显微图，及其高度相统计图。图3是本专利技术实施例4中用半导体型单壁碳纳米管制备的薄膜的原子力显微图。图4a是本专利技术实施例4中用半导体型单壁碳纳米管制备的纳米级沟道晶体管器件的扫描电镜图。图4b是本专利技术实施例4中用半导体型单壁碳纳米管制备的纳米级沟道晶体管器件的转移曲线。图5是本专利技术实施例5中用半导体型单壁碳纳米管制备的近红外光伏电池的电流—电压曲线。图6a是本专利技术实施例6中用半导体型单壁碳纳米管制备的数字集成电路的电路图图6b是本专利技术实施例6中用半导体型单壁碳纳米管制备的数字集成电路的运算输出结果。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。以下介绍本专利技术的一种高纯度半导体型单壁碳纳米管的批量分离方法的一种具体实施方式，该方法具体包括以下步骤：S1、在有机溶剂中，将单壁碳纳米管与聚咔唑衍生物混合并均匀分散成分散液。具体地，所述聚咔唑衍生物选自下式中所示分子结构中的任意一种，其中，咔唑基团侧链上与氮原子相连的叔碳基团分别再连接两个烷基R，两个R相同或不同，分别为具有6～16个碳原子的直链烷基；Ar为芳香基团，选自联苯、联噻吩、联吡啶、苯并噻二唑中的任意一种或两种的组合及其烷基化衍生物。该类聚咔唑衍生物均通过Suzuki聚合反应合成，通用的合成路线如下式所示，Ar为芳香基团，同上面所述：进一步地，优选得到，以下几种聚合物具有更好的半导体纯度和分散浓度；有机溶剂为正己烷、环己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、氯苯、二氧六环、乙醇、丙酮、醋酸丁酯、乙二醇甲醚醋酸酯、二氯苯、N，N-二甲基甲酰胺、环己酮、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷酮、硝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高纯度半导体型单壁碳纳米管的批量分离方法，其特征在于，在有机溶剂中，将单壁碳纳米管与聚咔唑衍生物混合并均匀分散成分散液；过滤或离心处理所述分散液，得到高纯度半导体型单壁碳纳米管，所述半导体型单壁碳纳米管的纯度大于99.99％，其中，所述聚咔唑衍生物选自下式所示聚合物分子结构中的任意一种，Ar为芳香基团，选自联苯、联噻吩、联吡啶、苯并噻二唑中的任意一种或两种的组合及其烷基化衍生物。

【技术特征摘要】
1.一种高纯度半导体型单壁碳纳米管的批量分离方法，其特征在于，在有机溶剂中，将单壁碳纳米管与聚咔唑衍生物混合并均匀分散成分散液，分散方式为使用工业级设备进行高速剪切或喷射或乳化或球磨，且单批分散能力大于10升；通过色谱柱过滤或滤膜过滤所述分散液中未被分散的固体物质，且单批分离能力大于5升，得到高纯度半导体型单壁碳纳米管，所述半导体型单壁碳纳米管的纯度大于99.99％，其中，所述聚咔唑衍生物选自下式所示聚合物分子结构中的任意一种，Ar为芳香基团，选自联苯、联噻吩、苯并噻二唑中的任意一种或两种的组合及其烷基化衍生物,所述聚咔唑衍生物中，咔唑基团侧链上与氮原子相连的叔碳基团分别再连接两个烷基R，两个R相同或不同，分别为具有6～16个碳原子的直链烷基。2.根据权利要求1所述的高纯度半导体型单壁碳纳米管的批量分离方法，其特征在于，所述有机溶剂为正己烷、环己烷、二氯甲烷、三氯甲烷、二氯乙烷、四氢呋喃、甲苯、二甲苯、氯苯、二氧六环、乙醇、丙酮、醋酸丁酯、乙二醇甲醚醋酸酯、二氯苯、N，N-二甲基甲酰胺、环己酮、二甲亚砜、N-甲基吡咯烷...

【专利技术属性】
技术研发人员：邱松，李红波，金赫华，韩杰，
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