成会明院士&刘畅研究员Adv. Mater.：无金属半导体性和金属性单壁碳纳米管的选择性生长

【引言】

半导体性单壁碳纳米管(s-SWCNTs)具有高的载流子迁移率、小尺寸和良好的稳定性，因此是高性能场效应晶体管和微型逻辑电路理想的通道材料；金属性单壁碳纳米管(m-SWCNTs)具有高的电流耐久性、优秀的光学性质以及出色的柔韧性，可用作电路和透明导电薄膜的内部连线或电极。然而，通常的金属纳米颗粒催化制备的SWCNTs，一方面s-和m-SWCNTs相互混杂，另一方面金属纳米颗粒残留会劣化SWCNTs的性能，严重阻碍了SWCNTs在电子器件中的应用。因此，通过无金属催化剂直接选择性制备高纯s-或m-SWCNTs成为了碳纳米管领域研究的热点，也是将SWCNTs成功应用于电子器件的难点。

【成果简介】

近日，中科院金属所成会明院士和刘畅研究员(共同通讯作者)等人在材料领域顶尖期刊Adv. Mater.发表了题为“Selective growth of metal-free metallic and semiconducting single-wall carbon nanotubes”的研究论文，报道了SWCNTs选择性生长的最新成果。该团队以SiO_x纳米颗粒为无金属催化剂，通过化学气相沉积(CVD)选择性合成了s-和m-SWCNTs，纯度可分别达到91%和～80%，表现出了优异的选择性。研究还发现，SiO_x纳米颗粒的尺寸和O含量是控制SWCNTs的选择性生长的关键因素。最后，研究团队分别以合成的s-SWCNTs和m-SWCNTs作为通道材料和源/漏极在Si基片上成功制备了全SWCNTs的薄膜晶体管(TFTs)。

【图文导读】

图1 SiO_x纳米颗粒的制备

(a)从溅射的SiO_x膜上形成SiO_x纳米颗粒的示意图；

(b)温控曲线图: 不同的加热路径、烧结时间和烧结气氛；

(c-f)不同加热过程制备的SiO_x纳米颗粒的AFM图；

(g)图(c-f)中SiO_x纳米颗粒的粒径分布图。

图2 富含m-SWCNTs样品的表征

(a-b)样品M在633nm激光激发下的径向呼吸振动模式(RBM)和G模式拉曼光谱；

(c-d)样品M分别在785nm和532nm激光激发下的RBM拉曼光谱；

(e)样品M中m-SWCNTs的百分比: 通过对m-和s-SWCNTs的RBM峰计数来获得；

(f)样品M和R的表面电阻与温度的关系。

图3 富含s-SWCNTs样品的表征

(a)基于TEM观察的样品S的直径分布。内插为SWCNTs的TEM图；

(b)样品S在633nm激光激发下的G模式拉曼光谱；

(c-e)样品S分别在633、532和785nm激光激发下的RBM峰；

(f)样品S的表面电阻与温度的关系；并与样品R进行对比。

图4 由本实验合成的s-和m-SWCNTs制备的全SWCNTs TFTs

 (a)全SWCNTs TFTs的制备过程示意图；

(b)在SiO₂/Si基片上组装的TFT阵列的低倍光学显微图；

(c)组装的全SWCNTs TFTs的高倍光学显微图；

(d-e)s-和m-SWCNTs的SEM图和RBM拉曼光谱。图(e)中的插图是SWCNTs放大的SEM图；

(f)全SWCNTs TFTs的电学性能。

图5 纳米化学计量的SiO_x催化剂的组成表征和样品中s-SWCNTs比例的统计数据

(a)通过SIMS标定的SiO_x催化剂中各组份强度比(O/Si)。该比例是随引入H₂(还原气氛)的增加而减少的；

(b)随着引入H₂的减少，3个典型样品中s-SWCNTs的含量是降低的。

【小结】

本文以不同含O量的SiO_x纳米颗粒为催化剂，通过CVD方法实现了m-和s-SWCNTs的选择性生长，并且揭示了O含量在SWCNTs选择性生长中的重要作用，为无金属催化SWCNTs的可控合成(m-或s-)提供了一条高效的路径。采用所合成的s-和m-SWCNTs成功在Si基片上组装了全SWCNTs的TFTs，显示了单壁碳纳米管在电子器件中应用的巨大潜力。

文献链接: Selective growth of metal-free metallic and semiconducting single-wall carbon nanotubes (Adv. Mater., 2017, DOI: 10.1002/adma.201605719)

本文由材料人编辑部纳米学术组Roay供稿，材料牛编辑整理。文章撰写过程中得到了论文通讯作者之一中科院金属所刘畅研究员的指导，在此一并致谢。

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