中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所先進(jìn)材料部李清文團(tuán)隊(duì)在碳納米管可控分離及器件應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)展出一系列共軛分子-碳納米管分離體系，可獲得高純度的半導(dǎo)體型單壁碳納米管（Chem. Comm. 2013, 49, 10492；Small 2016, 12, 4993；Carbon, 2016, 105, 448；Adv. Mater., 2017, 29, 1603565；Adv. Mater., 2018, 31, 1800750），并在碳納米管電子器件領(lǐng)域取得進(jìn)展（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 9, 15719；ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 11699）。研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)多個(gè)團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)現(xiàn)這些高純度半導(dǎo)體碳納米管在碳基集成電路和多功能電路領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用（Adv. Mater. 2020, 32, 9, 1907288；Nat. Comm., 2021, 12, 1798）。

　　多年來(lái)，科研團(tuán)隊(duì)致力于聚合物選擇性分離單手性碳管研究，合成和篩選了大量不同結(jié)構(gòu)的共軛聚合物體系。研究發(fā)現(xiàn)，一些含吡啶單元的共聚物對(duì)1.2納米直徑的特定手性碳納米管具有獨(dú)特的選擇性。在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展出兩種單手性碳管的高純度分離技術(shù)——增強(qiáng)超速離心技術(shù)（Enhanced Ultracentrifugation E-UCG）和多步提取技術(shù)（Stepwise Extraction Processing STEP）。研究分別得到了單手性純度為92.3%的(10,8)碳管和95.6%的(12,5)碳管，手性純度均為已報(bào)道的大直徑單手性碳管中的最高數(shù)值。這兩種單手性碳管的直徑分別為1.24納米和1.20納米，其S11吸收峰和熒光發(fā)射峰分別在1.50 μm和1.52 μm，均位于通信波長(zhǎng)C波段，利于光學(xué)集成。科研人員利用(10,8)手性碳管制備出數(shù)百個(gè)納米級(jí)溝道長(zhǎng)度的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，測(cè)試結(jié)果表明，其半導(dǎo)體純度達(dá)到99.94%。基于(10,8)手性碳管制備的微米級(jí)溝道薄膜晶體管的性能頗為出色，平均開(kāi)關(guān)比約為10⁶，遷移率達(dá)到61 cm²·V^-1·s^-1，高于目前已報(bào)道的溶液法制備的單手性碳管器件性能。該研究有助于更好的探究手性碳納米管與聚合物的結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)聚合物的高效篩選，同時(shí)，更高的單手性純度和更好的器件性將進(jìn)一步促進(jìn)碳基電子和光電子學(xué)的發(fā)展。

　　相關(guān)研究成果以High-Purity Monochiral Carbon Nanotubes with a 1.2 nm Diameter for High-Performance Field-Effect Transistors為題，發(fā)表在Advanced Functional Materials上（DOI：10.1002/adfm.202107119）。研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金和廣東省重點(diǎn)研發(fā)領(lǐng)域計(jì)劃等的資助。

圖1.(10,8)、(12,5)手性碳納米管的提純方法及其光譜特性

圖2.(10,8)、(12,5) 手性碳管與已報(bào)道結(jié)果的比較及其納米器件表征