[發(fā)明專利]一種單根分散、半導體性富集單壁碳納米管薄膜的制備方法

有效

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• 申請日: 2020-09-14
• 公開（公告）號: CN112194116B
• 公開（公告）日: 2022-10-11
• 發(fā)明（設計）人: 侯鵬翔;李曉齊;劉暢;蔣松;蹇楊
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學院金屬研究所
• 主分類號: C01B32/159
• 分類號: C01B32/159;C01B32/162;H01L51/05
• 代理公司: 沈陽優(yōu)普達知識產(chǎn)權(quán)代理事務所(特殊普通合伙) 21234
• 代理人: 張志偉

本發(fā)明涉及半導體性富集單壁碳納米管薄膜制備領域，具體為一種單根分散、半導體性富集單壁碳納米管薄膜的制備方法。在浮動催化劑化學氣相沉積法生長單壁碳納米管的過程中，在提高氫氣含量制備出高質(zhì)量、單根分散單壁碳納米管基礎上，引入微量氧氣刻蝕劑，優(yōu)先選擇性刻蝕化學反應活性較強的單根金屬性單壁碳納米管，從而制備出單根分散的半導體性富集單壁碳納米管薄膜。利用該薄膜構(gòu)建了薄膜場效應晶體管器件，其具有優(yōu)異的性能(電流開關比大于5×10⁴，載流子遷移率達35cm²V^?1S^?1)。本發(fā)明首次設計制備出單根分散、半導體性富集的單壁碳納米管薄膜，對于推動碳納米管薄膜在高性能柔性電子器件領域的應用具有重要意義。

技術領域

本發(fā)明涉及半導體性富集單壁碳納米管薄膜制備領域，具體為一種原位刻蝕制備單根分散、半導體性富集單壁碳納米管薄膜的方法。

背景技術

薄膜晶體管是構(gòu)成宏觀電子器件的基本單元，同時具備高電流開關比和高載流子遷移率是其重要性能指標要求。目前，薄膜晶體管的有源半導體材料主要包括：非晶硅、多晶硅、氧化物半導體、有機半導體等。但這些材料在載流子遷移率、柔性以及穩(wěn)定性等方面存在明顯不足，不能適應高性能柔性電子的發(fā)展需要。而半導體性單壁碳納米管具有高載流子遷移率、高透光率、優(yōu)異的柔韌性等特點而被認為是構(gòu)建下一代柔性薄膜晶體管的理想材料之一。

目前，制備半導體性單壁碳納米管的方法主要有兩種。一種為后處理分離法，即先將制備好的單壁碳納米管分散于溶液中，再基于半導體性和金屬性單壁碳納米管的理化性能差異，將其分離；采用該方法可以獲得高純度半導體性和金屬性單壁碳納米管(文獻一：M.S.Arnold,Nat.Nanotechnol.,1(2006)60-65；文獻二：H.Liu,Nat.Commun.,2(2011)309)；但該方法的局限性在于分散單壁碳納米管的物理和化學過程會破壞碳管的本征結(jié)構(gòu)、引入表面活性劑等雜質(zhì)，從而導致薄膜晶體管的性能劣化。另一種為直接制備法，包括表面法和浮動催化劑法。表面法是在基底表面生長半導體性碳納米管(文獻三：M.Cheng,Carbon,135(2018)195-201；文獻四：F.Zhang,Nat.Commun.,7(2016)11160；文獻五：J.Wang,Nature Catalysis,1(2018)326-331)，該方法雖然可控性強、無其他污染引入，但制備產(chǎn)量極低，無法滿足宏觀器件的應用的需求；浮動催化劑法是在碳納米管生長過程中原位引入適量的刻蝕劑，優(yōu)先刻蝕化學反應活性更強的金屬性碳納米管，實現(xiàn)半導體性單壁碳納米管的富集。該方法的優(yōu)勢在于保持了碳納米管的本征結(jié)構(gòu)、不引入雜質(zhì)、低耗、簡單、易于規(guī)?；a(chǎn)。在浮動催化化學氣相沉積反應過程中引入氧氣刻蝕劑，制備半導體性富集單壁碳納米管取得了一定進展(文獻六：B.Yu,J.Am.Chem.Soc.,133(2011)5232-5235.)。但是，所構(gòu)建的晶體管性能并不理想，即無法同時實現(xiàn)高載流子遷移率與高電流開關比。這是因為目前用該方法制備的半導體性碳納米管主要是以管束的形式存在。管束中碳納米管的管間接觸部分類似于石墨片層結(jié)構(gòu)，而石墨在C軸方向的電導率遠小于其平面內(nèi)電導率(文獻七：Tsuzuku T.,Carbon,1979,17(3):293-299.)。這導致了高開關比情況下，載流子遷移率低的問題，所以管束是制約載流子遷移速率的主要原因之一。

目前面臨的主要問題是：如何發(fā)展一種高效制備單根/小管束、半導體性單壁碳納米管薄膜的新方法，為構(gòu)建高性能薄膜晶體管器件提供材料基礎。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種單根分散、半導體性富集單壁碳納米管薄膜的制備方法，降低碳納米管的管間接觸電阻，在保證薄膜晶體管器件高開關比的前提下，提高載流子遷移率，解決了由于金屬性碳納米管存在或碳納米管管束大導致薄膜晶體管性能較差的問題。

本發(fā)明的技術方案是：