[發(fā)明專利]半導(dǎo)體性單壁碳納米管的制備方法

有效

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• 申請日: 2012-11-08
• 公開（公告）號: CN103803522A
• 公開（公告）日: 2014-05-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李彥;彭飛;秦校軍;楊娟
• 申請（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號: C01B31/02
• 分類號: C01B31/02;B82Y30/00
• 代理公司: 北京遠(yuǎn)大卓悅知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 11369
• 代理人: 劉冬梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及單壁碳納米管，具體涉及具有導(dǎo)電性選擇性的單壁碳納米管的制備方法，更具體涉及半導(dǎo)體性單壁碳納米管的制備方法。?

背景技術(shù)

作為典型的納米材料，碳納米管，特別是單壁碳納米管（SWNTs）由于具有優(yōu)異的性能而成為當(dāng)今研究的重點(diǎn)。?

單壁碳納米管具有高的長徑比，是典型的一維納米材料。由卷成圓筒狀的石墨層構(gòu)成的單壁碳納米管具有極高的長徑比，這種特殊的管狀結(jié)構(gòu)決定了碳納米管具有優(yōu)異的物理、化學(xué)、電學(xué)和機(jī)械性能，例如：極高的楊氏模量、抗拉強(qiáng)度和熱導(dǎo)率，理想的一維量子線和直接帶隙光學(xué)性能，能修飾上其它分子并有較好的生物兼容性。與結(jié)構(gòu)相對單一的籠狀富勒烯分子相比，這些優(yōu)點(diǎn)賦予了碳納米管在納米電子器件、光學(xué)器件、化學(xué)生物傳感器和復(fù)合材料等諸多領(lǐng)域更為廣闊的應(yīng)用前景。?

單壁碳納米管按照其導(dǎo)電性不同可以分為兩類：即金屬性單壁碳納米管和半導(dǎo)體性單壁碳納米管。當(dāng)碳納米管的布里淵區(qū)通過石墨烯布里淵區(qū)的K_B點(diǎn)（即費(fèi)米能級）時(shí)，單壁碳納米管表現(xiàn)出金屬性；當(dāng)碳納米管的布里淵區(qū)不通過石墨烯布里淵區(qū)的K_B點(diǎn)時(shí)，單壁碳納米管表現(xiàn)出半導(dǎo)體性。?

半導(dǎo)體性單壁碳納米管可以用作構(gòu)筑納米級邏輯電路的基本單元，如場效應(yīng)晶體管、p-n結(jié)二極管和存儲器件等，具有廣泛的應(yīng)用空間和前景。可控制備高純度半導(dǎo)體性單壁碳納米管是目前碳納米管研究領(lǐng)域的核心技術(shù)。得到單一導(dǎo)電性的單壁?碳納米管可以有兩種途徑，一種是先制備后分離的方法，一種是直接生長的方法。先制備后分離的方法通常來說步驟較繁瑣，容易有雜質(zhì)殘留，因此發(fā)展直接生長單一導(dǎo)電性的單壁碳納米管的方法無疑更加值得關(guān)注。?

目前，文獻(xiàn)報(bào)道的直接生長單一導(dǎo)電性的單壁碳納米管的方法可以分為兩類：一類是通過選擇合適的催化劑來得到單一導(dǎo)電性的碳納米管或是使得某一種或幾種手性的碳納米管得到富集；另一類就是利用金屬性單壁碳納米管和半導(dǎo)體性單壁碳納米管反應(yīng)活性的不同對某一種導(dǎo)電性的單壁碳納米管實(shí)施破壞，阻止其生長，從而得到另一種導(dǎo)電性的單壁碳納米管。?

因?yàn)榻饘傩蕴技{米管比半導(dǎo)體性碳納米管電離能低，更易發(fā)生氧化等化學(xué)反應(yīng)，因此可利用選擇性阻止和破壞金屬性碳納米管的生長，從而獲得半導(dǎo)體性碳納米管富集的樣品。已有研究中都是采用在氣相中添加或者產(chǎn)生一定的反應(yīng)性物種來選擇性地阻止金屬性碳納米管的生長。而這些方法都存在條件不容易控制，生長窗口窄的缺點(diǎn)。?

此外，大部分選擇性生長都是采用體相生長的方法，得到的都是單壁碳納米管的粉末樣品，很容易形成碳納米管管束。這些樣品還需要經(jīng)過提純才能夠被利用。在進(jìn)行器件制作的時(shí)候必須將碳納米管分散后再組裝到基底表面。提純、分散的過程不可避免的要用到超聲并加入分散劑，這些都會(huì)對單壁碳納米管引入缺陷，造成其性能的降低。組裝到基底表面的過程對單壁碳納米管的方向和位置控制又是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。而直接在基底表面選擇制備單一導(dǎo)電性的方法無疑是最便于后續(xù)器件制備的，因?yàn)樗苊饬颂峒儭⒎稚⒑徒M裝這些會(huì)破壞碳納米管的過程。?

因此需要發(fā)展更有效和可靠的半導(dǎo)體性碳納米管的生長方?法，除了發(fā)展體相半導(dǎo)體性碳納米管的生長方法外，更需要發(fā)展在便于器件制作的任意絕緣基底上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體性單壁碳納米管選擇性生長的方法。?

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述問題，本發(fā)明人進(jìn)行了銳意研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：利用金屬性和半導(dǎo)體性單壁碳納米管在抗氧化能力方面的差別，引入具有氧化性的氧化物如CeO₂、V₂O₅、MnO₂、Cr₂O₃、ZrO₂、HfO₂、SnO₂、PbO₂、La₂O₃、Y₂O₃、氧化鐠(Pr_xO_y)、Eu₂O₃和Gd₂O₃等作為催化劑載體，氧化刻蝕掉金屬性單壁碳納米管，從而在SiO₂/Si基底上實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體性單壁碳納米管的選擇性生長，從而完成本發(fā)明。?

本發(fā)明的目的在于提供一種半導(dǎo)體性單壁碳納米管的制備方法，該方法包括以下步驟：?