Nano Lett. | 选择性甲基化法制备半导体性单壁碳纳米管水平阵列

英文原题：Methylation-Induced Reversible Metallic-Semiconducting Transition of Single-Walled Carbon Nanotube Arrays for High-Performance Field-Effect Transistors

通讯作者：胡悦、钱金杰、黄少铭

作者：Ying Wang（王赢）, Dayan Liu （刘大燕）, Hongjie Zhang（张红杰）, Jiacheng Wang（王佳成）, Ran Du（杜然）, Ting-Ting Li （黎挺挺）, Jinjie Qian（钱金杰）, Yue Hu （胡悦）and Shaoming Huang（黄少铭）

单壁碳纳米管具有完美的共轭管状结构与优异的物理及化学性质，在纳电子器件、能源存储及转换领域、功能复合材料以及催化剂载体等方面具有巨大的潜在应用前景。尤其在纳电子学领域，单壁碳纳米管被认为是后摩尔时代纳电子器件材料中最具潜力的材料之一。迄今为止，单壁碳纳米管已被广泛应用于许多电子器件，包括显示器、存储器、传感器、透明导电薄膜以及碳纳米管计算机等。然而，器件性能提高的基础在于材料，如何获得半导体性单壁碳纳米管水平阵列是解决单壁碳纳米管在纳电子学领域中真正应用的关键问题之一。同时，这也是目前单壁碳纳米管控制制备研究领域中最具有挑战性的问题之一。

为解决上述问题，温州大学黄少铭（现工作单位为广东工业大学）和胡悦团队提出了一种利用选择性甲基化法制备半导体性单壁碳纳米管水平阵列的方法。如图1所示，利用过氧化二叔丁基在紫外氙灯照射下分解成具有高反应活性的甲基自由基，选择性地与金属性单壁碳纳米管进行加成反应使之转变为半导体性单壁碳纳米管，最终使得整个单壁碳纳米管水平阵列呈现半导体性并在室温条件下可长期保持稳定性。此外，经过退火处理也可以使反应后的金属性单壁碳纳米管恢复金属性。

图1. 单壁碳纳米管可逆甲基化过程的示意图。

如图2所示，研究小组利用多波长的拉曼激光对甲基化后的单壁碳纳米管进行检测，根据D峰（~1350 cm^-1）与G峰（~1590 cm^-1）的变化，证明了金属性单壁碳纳米管极易被甲基化，而半导体性单壁碳纳米管极难或略微被甲基化。研究小组继续探索不同反应时间，结合拉曼数据和电学测试的结果，得出最佳的反应时间为30分钟（见图3）。同时，又对甲基化后的金属性单壁碳纳米管进行退火处理，通过拉曼光谱和电学测试，证明甲基化后的金属性单壁碳纳米管在经过退火处理后能恢复为原状。最后，将甲基化反应应用于单壁碳纳米管水平阵列，成功制备出具有半导体性的单壁碳纳米管阵列，并且阵列中半导体性单壁碳纳米管的含量超过97.5%。此外，室温条件下大气中保存60天后，对甲基化后的单壁碳纳米管水平阵列重新进行电学测量，发现其半导体性能保持不变（见图4）。此方法旨在不破坏或移除金属性单壁碳纳米管，而是通过选择性甲基化反应使其转变为半导体性单壁碳纳米管，从而实现高性能场效应晶体管的构筑。此工作将为半导体性单壁碳纳米管水平阵列的制备提供一种全新思路。

图2. (a) 原位生长的单壁碳纳米管在532 nm激光下的拉曼光谱；(b, c) 甲基化后金属性和半导体性单壁碳纳米管在532 nm激光下的拉曼光谱；(d) 金属性单壁碳纳米管甲基化程度随时间的变化。

图3. (a) 单根的单壁碳纳米管的SEM图像；(b) 单根的金属性单壁碳纳米管开关比随甲基化时间的变化 (内图：金属性单壁碳纳米管随甲基化时间变化的转移曲线) ；(c, d) 原始、甲基化后、退火后单根的金属性单壁碳纳米管拉曼光谱和转移曲线。

图4. (a) 单壁碳纳米管阵列的SEM图像；(b) 单壁碳纳米管阵列甲基化前后的转移曲线；(c) 甲基化前后35个单壁碳纳米管阵列场效应晶体管器件开关比的统计；(d) 甲基化后的单壁碳纳米管在60天前和60天后的转移曲线。

这一成果近期发表在Nano Letters 上，温州大学硕士研究生王赢为文章的第一作者，胡悦、钱金杰、黄少铭为通讯作者。

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Methylation-Induced Reversible Metallic-Semiconducting Transition of Single-Walled Carbon Nanotube Arrays for High-Performance Field-Effect Transistors

Ying Wang, Dayan Liu, Hongjie Zhang, Jiacheng Wang, Ran Du, Ting-Ting Li, Jinjie Qian*, Yue Hu*, Shaoming Huang*

Nano Lett., 2019, DOI: 10.1021/acs.nanolett.9b04219

Publication Date: December 10, 2019

Copyright © 2019 American Chemical Society

导师介绍

黄少铭

https://www.x-mol.com/university/faculty/13505

（本稿件来自ACS Publications）