单色碳纳米管的宏量控制制备研究

With the development of information technology, silicon-based semiconductor chips are approaching their technical limits. Among different alternative materials, semiconducting carbon nanotubes (CNTs) are promising building blocks of the next-generation super materials and chips owing to their super-high mobility, high strength and excellent heat dissipation. However, controllable synthesis of CNTs with high density, high semiconducting selectivity and macro length becomes the bottleneck of applications in microelectronics. This project will conduct further study from a basis of our past findings about controllable synthesis of meter-scale ultralong CNTs with perfect structure, aiming at the problem of low ultralong CNT density in tandem with poor current drivability in carbon-based chips. By developing in situ acoustic-induced-vortices technology together with more precise larger-scale laminar reactor, meter-scale ultralong CNTs can be self-entangled into monochromatic CNT tangles with consistent chiral structure and high density, whose area can be up to millimeter scale. Moreover, a series of optoelectronic applications will be studied using these CNT tangles, in the hope of laying foundation for the mass production of the next-generation carbon based electronics.

随着信息技术的发展，硅基半导体芯片技术接近其理论极限，在众多替代材料中，半导体性碳纳米管凭借其超高电子迁移率、高强度及优异的导热性能成为下一代超强材料、芯片材料的核心。然而，目前制约其在微电子器件领域应用的关键是高密度、高半导体选择性、超长碳纳米管的可控制备。本项目在前期米级超长、结构完美碳纳米管的可控制备基础上，针对超长碳纳米管密度低导致器件电流输出小的技术难题，通过引入更为精确的大尺寸层流反应器并结合原位声诱导涡技术，将米级长度，结构均一的单色碳纳米管缠绕成具有毫米级面积、高密度、单一手性的单色碳纳米管线团，并可通过后期致密化处理或相同颜色碳纳米管线团富集进一步提高密度，将这些碳纳米管线团制作成碳纳米管光电器件并探究其性能，以期望为下一代碳基电子器件的宏量制备提供基础。

随着信息技术的发展，硅基半导体芯片尺寸接近其理论极限。在众多替代材料中，半导体性碳纳米管凭借其超高电子迁移率及优异的导热性能成为下一代芯片材料的核心。然而，目前制约其实际应用的瓶颈是高密度、高选择性、超长碳纳米管的可控制备。本项目在前期米级超长、结构完美碳纳米管制备的基础上，针对生长密度低以及选择性控制等难题，证明了液相催化剂界面与碳纳米管手性之间的随机分布规律，从热力学角度揭示了定向演化策略对超长碳纳米管结构控制的关键作用；通过反应器设计与过程参数调控，有效提高了催化剂活性概率，实现了超长碳纳米管在7片4英寸硅晶圆表面的大面积生长，碳纳米管长度达到650 mm，是目前报道的最高长度记录；提出了调控生长动力学实现高纯度半导体性碳纳米管自发纯化的分离策略，在长度达到154 mm时半导体性碳纳米管纯度达到99.9999%；在高密度和高选择性碳纳米管制备方面，发展了声场辅助和磁控气流编织方法实现超长碳纳米管的原位卷绕制备单色碳纳米管线团，并且展现了长程手性一致性和优异的电学性能，电流输出相比原有单根碳纳米管提高1000倍以上，是迄今为止基于单根碳纳米管的最高输出电流记录；此外，在力学性能方面，实现了80 GPa超强超韧碳纳米管管束纤维的可控制备，并揭示了高性能纤维材料增强增韧的新机制与新方法。这类高品质碳纳米管、碳纳米管纤维及单色碳纳米管线团展现了诸多奇特的力学及光电特性，在新一代超强纤维及大规模集成电路领域具有显著优势。