半导体性单壁碳纳米管的连续可控制备及其薄膜电子器件的构建

Large-scale, controllable synthesis of semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) is one of the current focuses of carbon nanotube research. In this application, we propose to investigate the nucleation and growth process and mechanism of semiconducting SWCNTs, and to reveal the relating law between the chirality of SWCNTs and the structure of catalysts by combined theoretical simulation and in situ transmission electron microscope methods; to esteblish a selective etching-floating catalyst chemical vapor deposition approach for the continuous, controllable synthesis of high-quality semiconducting SWCNTs; to design and set up apparatus for the continuous collection of large-area semiconducting SWCNT thin films; to develop effective approaches for the transfer and patterning of SWCNT thin films and to fabricate SWCNT thin film transistors (TFTs) with various configurations; to study conduction type modulation method and mechanism of SWCNT TFTs; to investigate the interaction between SWCNT thin films and gate dielectric and substrate materials; and to demonstrate a flexible display array driving circuit based on semiconducting SWCNT thin films. Our objective is to get breakthrough on the bulk, controllable synthesis and growth mechanism of semiconducting SWCNTs, and to pave the way for the application of SWCNTs in TFTs and display driving circuits.

半导体性单壁碳纳米管（SWCNT）的可控、宏量制备是当前碳纳米管研究的重点和难点。本项目提出采用计算模拟和原位TEM研究相结合的方法，阐明半导体性SWCNT的形核生长机理，揭示SWCNT手性与催化剂结构的关联规律；建立选择性刻蚀—浮动催化剂CVD方法，连续、可控制备高质量半导体性SWCNT；设计与组装半导体性SWCNT的连续收集装置，获得大面积半导体性SWCNT薄膜；建立半导体性SWCNT薄膜的有效转移及图形化方法，设计和构建不同构型的SWCNT薄膜晶体管器件，研究其导电类型的调控原理与方法及SWCNT与栅介质、衬底材料的作用机制；研制基于半导体性SWCNT的柔性显示驱动阵列电路。通过本项目实施，将确立半导体性SWCNT的宏量可控制备方法，阐明半导体性碳纳米管的控制生长机制，在碳纳米管薄膜场效应晶体管和柔性显示驱动电路的构建方面取得突破，为碳纳米管电子器件的实际应用奠定科学基础。

半导体性单壁碳纳米管的宏量、可控制备是当前碳纳米管研究领域的关键问题，是实现碳纳米管薄膜晶体管在电子器件中应用亟需突破的瓶颈。基于半导体性单壁碳纳米管的显示驱动电路等薄膜电子器件能够充分体现碳纳米管独特的结构和性能优势，可望在快速发展的柔性及可穿戴电子中获得实际应用。.在国家自然科学基金委重点项目的资助下，项目组重点开展了半导体性单壁碳纳米管的可控制备与生长机理研究、单壁碳纳米管薄膜的连续可控制备、收集与转移、规模化碳纳米管薄膜晶体管器件的设计与性能研究，及利用单壁碳纳米管构建低功耗CMOS电路和柔性显示驱动电路研究，取得主要结果如下：.1）.发展了多种半导体性单壁碳纳米管的控制制备方法，获得了窄带隙分布、高质量半导体性单壁碳纳米管，实现了非金属催化剂控制生长半导体性单壁碳纳米管，构建了球差校正环境透射电子显微镜/原位加热和气氛载台系统，从原子尺度研究了碳纳米管的形核、生长与终止过程，为可控生长提供借鉴与指导。.2）.研制出大面积单壁碳纳米管薄膜连续制备、收集与转移装置，实现了宽20/50 厘米、长度不受限的单壁碳纳米管薄膜的连续制备、收集与转移，为大面积薄膜晶体管器件构建奠定了材料基础。.3）.发展了规模化碳纳米管薄膜晶体管器件及电路的制备方法，采用光刻胶作为栅绝缘层构建出碳纳米管薄膜晶体管，突破了聚合物薄膜压印转移及剥离技术，验证了碳纳米管薄膜拉伸压印技术用于碳纳米管薄膜晶体管卷对卷印刷制备的可行性。.4）.获得了高性能N型场效应晶体管，集成制备了三维结构的柔性碳纳米管薄膜晶体管CMOS逻辑电路，制备出大面积柔性碳纳米管AMOLED驱动电路，获得柔性碳纳米管光电传感-存储器件，为实现高性能、柔性、透明的新型碳纳米电子器件奠定了基础。.项目组成员发表SCI收录论文55篇，被SCI引用1000多次。申请中国发明专利4项，获专利授权14项。1人获得国家杰出青年科学基金资助。