建立碳納米管電學(xué)輸運(yùn)性能與其手性結(jié)構(gòu)的依存關(guān)系，對(duì)于設(shè)計(jì)和構(gòu)建高性能碳基器件具有重要意義。十多年前，科研人員嘗試基于單根碳納米管構(gòu)建晶體管，探測(cè)其電學(xué)輸運(yùn)性能與結(jié)構(gòu)的關(guān)系。由于單根碳納米管電學(xué)信號(hào)弱、手性結(jié)構(gòu)表征困難，揭示其性能與手性結(jié)構(gòu)的關(guān)系頗具挑戰(zhàn)性。多種類單一手性碳納米管的宏量制備是解決這一科學(xué)問(wèn)題的關(guān)鍵。鑒于此，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析實(shí)驗(yàn)室A05組研究員劉華平團(tuán)隊(duì)發(fā)展了高精度凝膠色譜技術(shù)。該技術(shù)在原子尺度上對(duì)碳納米管手性結(jié)構(gòu)進(jìn)行高分辨識(shí)別和分離，實(shí)現(xiàn)了10余種單一手性碳納米管次毫克量級(jí)的制備（Sci. Adv. 2021, 7, eabe0084），為探究碳納米管電學(xué)輸運(yùn)性能與手性結(jié)構(gòu)的關(guān)系奠定了材料基礎(chǔ)。

　　近日，該團(tuán)隊(duì)博士研究生蘇威（已畢業(yè)）和李瀟在劉華平的指導(dǎo)下，發(fā)展了堿性小分子調(diào)控技術(shù)精確調(diào)控碳納米管薄膜的沉積密度，并在此基礎(chǔ)上利用(6, 5), (7, 3), (7, 5), (7, 6), (8, 4), (9, 1), (9, 2), (9, 4), (10, 2), (10, 3) and (11, 1)等11種均勻密度的單一手性碳納米管薄膜構(gòu)建晶體管，系統(tǒng)探測(cè)了不同手性碳納米管薄膜電學(xué)輸運(yùn)性能。這些碳納米管包含兩種類型【類型I(mod (2n + m, 3) = 1)和類型II(mod (2n + m, 3) = 2)】、五個(gè)族【每個(gè)族，2n+m=常數(shù),（n, m）為碳納米管手性指數(shù)】，因此測(cè)試所得碳納米管電學(xué)性能與手性結(jié)構(gòu)的關(guān)系具有普適性。研究發(fā)現(xiàn)，即使直徑相同但手性角不同的碳納米管，其薄膜器件的開態(tài)電流或載流子遷移率可以達(dá)到一個(gè)數(shù)量級(jí)的差異。進(jìn)一步分析表明，碳納米管薄膜的電學(xué)輸運(yùn)性能具有很強(qiáng)的類型和族的手性結(jié)構(gòu)依存性。對(duì)于同族碳納米管，隨著手性角的增加，I型碳納米管開態(tài)電流和遷移率增加，而II型碳納米管表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。理論分析發(fā)現(xiàn)，碳納米管薄膜晶體管電學(xué)性能的差異來(lái)源于它們不同的能帶結(jié)構(gòu)。能帶結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致碳納米管薄膜與金屬電極的接觸電阻、管間節(jié)電阻以及管內(nèi)本征電阻等的不同。該工作為高性能碳基電子、光電子器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要的科學(xué)指導(dǎo)。

　　相關(guān)研究成果以Chirality-dependent electrical transport properties of carbon nanotubes obtained by experimental measurement為題，在線發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications 2023, 14, 1672）上。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)基金和中科院的支持。

碳納米管薄膜電學(xué)輸運(yùn)性能與手性結(jié)構(gòu)的關(guān)系。（a）所用碳納米管溶液照片；（b）所用碳納米管手性結(jié)構(gòu)分布；（c-d）不同手性碳納米管薄膜場(chǎng)效應(yīng)晶體管開態(tài)飽和電流和電子遷移率與直徑關(guān)系；（e）碳納米管電學(xué)性能與手性結(jié)構(gòu)的依存關(guān)系示意圖。