在固相体系下直接实现高纯半导体性单壁碳纳米管的宏量富集

Semiconducting single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) are outstanding one-dimensional semiconducting materials, which makes them have distinct advantages in constructing nanoscale field-effect transistors. However, semiconducting SWCNTs (S-SWCNTs) are currently grown with metallic SWCNTs (M-SWCNTs), which hampered their practical processes. How to obtain in large scale S-SWCNTs with high-purity is still a big challenge. In the traditional enrichment methods involved liquid phases, it is difficult to achieve mass production of S-SWCNTs due to the big SWCNT bundles that were hard to peel off and disperse in the solvents. Otherwise, in the chemical methods in the solid phase, it is difficult to guarantee the purity of S-SWCNTs and their enrichment efficiency due to the mild differences in the chemical reactivities between M-SWCNTs and S-SWCNTs. To solve this problem, this project intends to enhance the selectivity of covalent chemical reaction on the M-SWCNT surfaces by doping through encapsulation of the organic molecules. Then in the solid phase system, the M-SWCNTs will be more accurately selectively functionalized directly in the solid phase system by ion beam bombardment technique. After that, the thermal-oxidative stability of the M-SWCNTs after selectively functionalized will be weakened largely. In this case, mass enrichment of S-SWCNTs with high purity will be achieved through annealing in the mild oxidizing atmosphere. In this project, about 3 - 5 high-quality papers will be published, and two patents will be applied. Two postgraduates will be trained during the project.

半导体性单壁碳纳米管（SWCNT）是优良的一维半导体材料，在场效应晶体管等纳电子器件领域具有广阔的应用前景。然而，目前制备的SWCNT均是金属性和半导体性的混合物，严重阻碍了它的实用化进程。如何富集高纯的宏量的半导体性SWCNT是当前面临的挑战之一。传统的液相富集方法，严重受限于SWCNT管束的剥离与分散等难题，很难实现高效批量富集；而目前固相体系的化学处理方法，因金属性和半导体性SWCNT的化学反应活性差异不大，难以保证富集的纯度和效率。为了解决该问题，本项目拟先通过填充掺杂来改变两种导电性SWCNT的表面功能化反应活性差异，进而通过离子束轰击法在固相体系下直接对金属性SWCNT进行更加精准地选择性功能化，利用功能化后两种导电性SWCNT化学稳定性差异，经弱氧化退火处理，实现高纯半导体性SWCNT的宏量富集。通过项目实施，拟发表高水平SCI论文3-5篇，申请专利2项，培养研究生2名。

单壁碳纳米管（SWCNT）由于其独特的结构和优异的特性，在电子学、热学及力学等领域具有广阔的应用前景。然而，目前制备的SWCNT均是金属性和半导体性的混合物，严重阻碍了它的实用化进程。如何富集高纯宏量的半导体性和金属性SWCNT是当前面临的挑战之一。传统的液相富集方法，严重受限于SWCNT管束的剥离与分散等难题，很难实现高效批量富集；而固相体系的化学处理方法，因金属性和半导体性SWCNT的化学反应活性差异不大，难以保证富集的纯度和效率。. 为了解决该问题，本项目针对金属性和半导体性SWCNT在原始的SWCNT管束中的形态结构及分布特点，极致利用它们之间化学反应性的微弱差异，通过电化学氧化、快速灼烧、聚集光波辐照或微波辐照等实验手段，并采用原位快速精准的选择性刻蚀策略，最终实现了在固相体系下原位快速精准地选择性刻蚀其中一种类型SWCNT的目的，得到了宏量的高纯金属性或半导体性SWCNT。主要研究成果如下：.1. 发展了一种电化学预氧化和快速灼烧相结合的方法，高效选择性地去除金属性SWCNT，实现了高纯半导体性SWCNT的宏量富集。该方法简单易行，耗时短，每个富集周期仅几分钟，一个周期可富集得到1.49 mg且纯度在95 wt%以上的半导体性SWCNT，具有可批量生产的应用前景。.2. 通过聚焦太阳光辐照水润湿的固相SWCNT的方法，实现了高纯半导体性SWCNT的宏量富集。所富集的半导体性SWCNT结构缺陷少，纯度大于95 wt%，且方法所需的设备简易，耗能小，时间短，具有简单高效、节能环保的特点，具备可批量生产的应用前景。此外，我们通过微波辐照水润湿的固相SWCNT的方法同样得到纯度约95 wt%的半导体性SWCNT。.3.利用二氧化氮(NO2)对半导体性SWCNT选择性吸附特性，发展一种在低温条件下NO2刻蚀固相SWCNT达到选择性去除半导体性SWCNT而实现宏观量富集高纯金属性SWCNT的实验技术方法。由于在低温下反应，因而能够最大限度地保留金属性SWCNT 的结构完好，且金属性SWCNT纯度在90 wt%以上。. 通过项目实施，基本完成项目预期目标，发表SCI论文6篇，申请发明专利7项，授权发明专利1项，培养博士研究生2名。