单一结构碳纳米管薄膜光电性质研究

Semiconducting single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) are one-dimensional direct-bandgap materials with superior optoelectronic properties that render them to be potentials in the applications of optoelectronics. However, for quite some time, little progress has been made in the study of the photo-electronic properties and applications of SWCNTs because no methods could produce single–structure SWCNTs with identical properties. Recently, we developed the gel chromatography method for large-scale separation of single-structure SWCNTs, which broke through the bottle-neck of studying the optoelectronic properties of SWCNTs. In this project, we will systematically investigate the optoelectronic properties of multiple types of single-structure SWCNTs separated by the gel chromatography technique and discover the relationships between the structures and optoelectronic properties of SWCNTs. Further, we will develop a controllable method for the preparation of aligned sing-structure SWCNT films with SWCNT aqueous solution and study the effects of the length, orientation, and SWCNT coupling etc. of individual SWCNT in single-structure SWCNT films on their optoelectronic properties and the corresponding influence mechanism. We will also discover the effects of the external molecules adsorption, surface defects and interface interaction between nanotubes and the coatings around them on their optoelectronic properties of single-structure SWCNTs and the influence mechanism. By the above systematic investigation, we expect to truly unlock the optoelectronic properties, realizing great improvement of electroluminescent efficiency and photoconductivity of single-strucuture SWCNTs, accelerating the scientific research and practical applications of SWCNTs in the optoelectronic filed.

半导体单壁碳纳米管作为一维直接带隙半导体材料具有优异的光电性质，在光电领域具有重要的应用价值。然而长期以来，受制于未能宏量获取单一结构均一性质的碳纳米管，其光电性质和应用研究停滞不前。近来，我们实现了多种单一结构碳纳米管的宏量分离，解决了其光电性质的研究瓶颈。本项目将对多种单一结构半导体碳纳米管薄膜的光电性质进行深入系统的研究，描绘出碳纳米管的光电性质与结构的依存性；发展平行定向碳纳米管阵列薄膜排布技术，研究薄膜中碳纳米管个体的长度、取向、管间耦合效应等因素对薄膜光电性质的影响及机制；揭示单一结构碳纳米管表面分子吸附、表面缺陷以及界面环境等对其光电性质的影响及机制。经过系统的研究，最终充分揭示碳纳米管薄膜的光电性质；优化调控各种影响参数条件，实现单一结构碳纳米管薄膜的电致发光效率和光电导性能的显著提高，推动碳纳米管在光电子领域的科学研究和实际应用。

半导体单壁碳纳米管作为一维直接带隙半导体材料具有优异的光电性质，在光电领域具有重要的应用价值。然而长期以来，受制于未能宏量获取单一结构均一性质的碳纳米管，其光电性质和应用研究停滞不前。在本项目的支持下，本项目研究团队围绕项目研究目标开展研究工作，立项当年就集中大量的时间探索实验方法，在高效分散和分离碳纳米管技术方面取得了突破性进展，进一步地，实现了高纯度单一手性碳纳米管的宏量分离制备，为碳纳米管的光电性质的研究及光电器件的制备提供了材料基础。研究了多种单一手性碳纳米管的光电性质，描绘出碳纳米管光电性质与其手性结构的依存性；发展表面调控技术，实现了碳纳米管薄膜的快速制备；发展出平行定向碳纳米管阵列薄膜排布技术，研究了薄膜中各种因素对其光电性质的影响及机制；研究了表面界面以及表面电荷等对碳纳米管光电性质的调控，揭示了单一结构碳纳米管表面分子吸附以及界面环境等对其光电性质的影响及机制。研究了相同碳纳米管之间以及不同碳纳米管之间的管间耦合效应，为制备高性能碳纳米管光电器件奠定了物理基础。探索性制备了碳纳米管光电器件集成单元，柔性发光器件以及单片亚波长等离子体互联电路。这些重要进展和研究成果将推动碳纳米管在光电子领域的科学研究和实际应用。. 全面完成了项目研究计划，实现了预期目标，取得若干自主创新性的重要研究结果。在Sci. Adv.、Nat. Commn.、Adv. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Lett.等重要学术刊物上发表SCI收录论文28篇，64.3%的论文发表在IF>6.0的刊物上，有13篇论文发表在IF>10的期刊上。申请中国发明专利22项（获授权14项）。国际/国内学术会议邀请报告20人次。通过本项目的实施，培养博士毕业生7名，硕士毕业生1名，出站博士后1名。其中3名博士毕业生分别被评为北京市、中国科学院大学优秀毕业生，1名研究生获得研究生国家奖学金。与国家纳米科学中心合作，参与完成纳米技术国家标准一项。荣获国家纳米科技产业技术创新战略联盟第五届“纳米之星”创新创业大赛团队组二等奖。