窄帶隙分布半導體性單壁碳納米管問世

單壁碳納米管（SWCNT）因碳原子排布方式不同可表現為金屬性或半導體性，其中半導體性SWCNT具有納米尺度、良好的結構穩定性、可調的帶隙和高載流子遷移率，被認為是構建高性能場效應晶體管的理想溝道材料，並可望在新一代柔性電子器件中獲得應用。然而，金屬性和半導體性SWCNT的結構和生成能差異細微，通常製備得到的碳納米管中含有約三分之一金屬性和三分之二半導體性SWCNT，這種不同導電屬性SWCNT的混合物無法用於高性能電子器件的構建。因此，高質量半導體性SWCNT的可控制備是當前碳納米管研究的重點和難點。

中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家（聯合）實驗室先進炭材料研究部的研究人員利用金屬性與半導體性SWCNT在化學穩定性上的微弱差異，提出了浮動催化——原位刻蝕方法，在SWCNT生長過程中引入適量氣體刻蝕劑（如氧氣或氫氣）優先反應刻蝕金屬性SWCNT，獲得了純度90%以上的半導體性SWCNT（Journal of the American Chemical Society 2011, 133: 5232; ACS Nano 2013, 7: 6831）。半導體性SWCNT的帶隙與直徑直接相關，精確控制其直徑不僅可以實現SWCNT的帶隙調控，而且有利於金屬性SWCNT的選擇性刻蝕，進一步提高半導體性SWCNT的純度。通常用於生長SWCNT的過渡金屬催化劑在高溫生長過程中易發生團聚，尺寸均一性較差；另一方面，SWCNT從納米顆粒形核生長遵循不可控的「切線生長」或「垂直生長」模式，即所得SWCNT的直徑可能等於或小於催化劑顆粒。這使得SWCNT的直徑控制十分困難，所得半導體性SWCNT的帶隙分布較寬。

最近，金屬所先進炭材料研究部的研究人員與芬蘭Aalto大學合作者設計並製備了一種部分碳包覆的Co納米顆粒催化劑，包覆碳層可以有效阻止催化劑顆粒團聚長大，而部分暴露的Co納米顆粒可實現SWCNT僅以垂直模式形核生長，同時，採用嵌段共聚物自組裝法製備的催化劑顆粒具有優異的均一性和單分散性。他們採用這種催化劑首先實現了窄直徑分布SWCNT的可控生長（平均直徑1.7 nm，90%以上分布在1.6-1.9 nm範圍內），進而採用H2原位刻蝕方法獲得了窄帶隙分布（~0.08 eV）、高純度（>95%）、高質量的半導體性SWCNT。以製得的半導體性SWCNT為溝道材料，構建了高性能薄膜場效應晶體管器件，在電流開關比大於3×103時，平均載流子遷移率可達95.2 cm2v-1s-1。

部分碳包覆金屬複合結構催化劑的研製為可控生長SWCNT提供了新思路，所得高質量、高純度、窄帶隙分布半導體性SWCNT為其在場效應晶體管等器件中的應用奠定了基礎。該工作的主要結果於3月30日在Nature Communications 在線發表（Nature Communications 2016, 7: 11160）。該工作得到了國家自然科學基金創新群體、重點項目、面上項目及中科院重點部署項目、創新團隊國際合作項目等的資助。

(a) 部分碳包覆Co催化劑的TEM照片；（b）窄帶隙分布半導體性SWCNT的生長示意圖；（c）所得SWCNT的TEM照片；（d）所得半導體性SWCNT的激光拉曼光譜圖（激發光波長為532 nm）；（e）以所得SWCNT為溝道材料製備的薄膜晶體管的器件性能。

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