碳納米管薄膜電學輸運性能與其手性結構的依存關係 | 進展_風聞

原創：中科院物理所

建立碳納米管電學輸運性能與其手性結構的依存關係對於設計和構建高性能碳基器件具有重要意義。十多年前，研究人員便嘗試基於單根碳納米管構建晶體管，探測其電學輸運性能與結構的關係。由於單根碳納米管電學信號弱，手性結構表徵困難，揭示其性能與手性結構的關係一直面臨着巨大的挑戰。多種類單一手性碳納米管的宏量製備是解決這一科學問題的關鍵。

鑑於此，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析實驗室A05組劉華平研究員團隊發展了高精度凝膠色譜技術，在原子尺度上對碳納米管手性結構進行高分辨識別和分離，實現了10餘種單一手性碳納米管次毫克量級的製備 [Sci. Adv. 2021, 7, eabe0084]，為探究碳納米管電學輸運性能與手性結構的關係提供了材料基礎。

最近該研究團隊博士生蘇威（已畢業）和李瀟在劉華平研究員的指導下，發展了鹼性小分子調控技術精確調控碳納米管薄膜的沉積密度，在此基礎上利用(6, 5), (7, 3), (7, 5), (7, 6), (8, 4), (9, 1), (9, 2), (9, 4), (10, 2), (10, 3) 和 (11, 1)等11種均勻密度的單一手性碳納米管薄膜構建晶體管，系統探測了不同手性碳納米管薄膜電學輸運性能。這些碳納米管包含兩種類型（類型1 (mod (2n + m, 3) = 1)和類型II (mod (2n + m, 3) = 2)）、五個族（每個族，2n+m=常數,（n, m）為碳納米管手性指數），因此測試所得碳納米管電學性能與手性結構的關係具有普適性。

圖1. 碳納米管薄膜電學輸運性能與手性結構的關係。（a）所用碳納米管溶液照片；（b）所用碳納米管手性結構分佈；（c-d）不同手性碳納米管薄膜場效應晶體管開態飽和電流和電子遷移率與直徑關係；（e）碳納米管電學性能與手性結構的依存關係示意圖。

結果發現，即使直徑相同但手性角不同的碳納米管，其薄膜器件的開態電流或載流子遷移率可以達到一個數量級的差異。進一步分析表明，碳納米管薄膜的電學輸運性能具有很強的類型和族的手性結構依存性。對於同族碳納米管，隨着手性角的增加，I型碳納米管開態電流和遷移率增加，而II型碳納米管表現出相反的趨勢。理論分析發現，碳納米管薄膜晶體管電學性能的差異來源於它們不同的能帶結構。能帶結構上的差異導致了碳納米管薄膜與金屬電極的接觸電阻、管間節電阻以及管內本徵電阻等的不同。該工作為高性能碳基電子、光電子器件的設計和應用提供了重要的科學指導。

以上研究成果以“Chirality-dependent electrical transport properties of carbon nanotubes obtained by experimental measurement”為題，於3月25日在Nature Communications [Nat. Commun. 2023, 14, 1672] 期刊在線發表。該工作得到了中科院物理所解思深院士、周維亞研究員、以及日本產業技術綜合研究所Hiromichi Kataura教授的支持和指導。博士生李林海和博士後楊德華分離製備了單一手性碳納米管，魏小均副研究員、博士生王富天提供了電學及Raman光譜測量等協助和支持。上述研究工作得到了國家重點研發計劃項目（grant nos. 2020YFA0714700 and 2018YFA0208402）、國家自然科學基金項目（grant nos. 51820105002, 51872320, 51472264，11634014, and 52172060）、以及中科院項目（grant no. XDB33030100, QYZDBSSW-SYS028, and 2020005）的支持。