产综研提出分离金属性与半导体性碳纳米管

Sam 2024年02月23日 12:09 0

日本产业技术综合研究所日前提出了在单层碳纳米管（SWCNT）中有选择地分离金属性SWCNT和半导体性SWCNT的方法。

首先在双氧水中对金属性SWCNT和半导体性SWCNT混合而成的市售SWCNT（金属性SWCNT占1/3）进行热处理，利用半导体性SWCNT先于金属性SWCNT发生氧化和燃料的原理，成功地将金属性SWCNT的含量浓缩到了80％。金属性SWCNT有望作为透明电极材料取代ITO（铟锡氧化物）。另外，由于有望能够对SWCNT结构进行有选择地控制，因此将来通过有选择地提取半导体性SWCNT，极有希望实现透明薄膜晶体管。

SWCNT在结构上就像是把苯环相连而成的六元环片（石墨薄片）卷成了卷一样。根据不同的卷法，SWCNT就会变成金属或半导体。刚刚合成之后的SWCNT就是金属性与半导体性SWCNT的混合体，金属性SWCNT与半导体性SWCNT的比例为36:67。

产综研此次使用的SWCNT是美国碳纳米技术公司（Carbon Nanotechnologies）的市售产品，含有很多平均直径约1nm的纳米管。其制法为“HiPco（High Pressure Carbon Monoxide）工艺”，是利用铁触媒和高压一氧化碳在高温下合成而的，这种制法已经成为产品的商标。

分离工艺只是将HiPco-SWCNT放入双氧水中进行热处理。双氧水通过两个阶段的反应对SWCNT进行氧化。第一阶段的反应是由SWCNT从双氧水中获得氧的氧化反应，使SWCNT活性化。第二阶段就是由过氧化氢产生活性氧，对活化的SWCNT进行氧化和分解（燃烧），最后变成二氧化碳。

在产综研此次所做的实验中，在90℃环境下对HiPco-SWCNT进行47分钟的热处理之后，有99％分解掉了。对剩余的1％SWCNT进行分析的结果，金属性SWCNT的比例提高到了80%左右。这表明半导体性SWCNT的反应特性比金属性SWCNT高，利用二者不同的反应特性，可进行有选择的分离。过去普遍认为金属性SWCNT的反应特性比半导体性SWCNT高，但此次的结果却完全相反。对此，产综研分析认为“可能是因为在过氧化氢夺取电子后半导体性SWCNT的电子结构变化比金属性SWCNT变化大的缘故。”

首先是取代ITO，将来还有望用于TFT（薄膜晶体管）

这种金属性SWCNT的用途，目前设想的是ITO替代材料。ITO是FPD（平板显示器）等产品必不可少的透明电极材料，但铟是一种稀有金属，业界一直担心这种金属几年后有可能枯竭，为此正在研究各种替代材料。碳纳米管就是其中极具潜力的替代材料之一。

过去为透明电极所开发的SWCNT薄膜，其导电性之所以未能达到实用水平，其中一个重要原因就是金属性SWCNT只有1/3左右。可以想像的是，假如金属性SWCNT的比例能利用此次开发的方法得到提高的话，作为ITO替代材料将极具现实意义。今后，产综研将在提高目前只有1％的收获率的同时，还将把它作为透明电极进行应用研究，比如，如何将它制作薄膜等。

在实验中已经发现这种SWCNT的反应特性与结构有可能是可控制的，因此将来有望通过改变反应条件，有选择地提取半导体性SWCNT。作为半导体性SWCNT的用途而被寄予厚望的是TFT（薄膜晶体管）。SWCNT虽说具有更透明，更容易在塑料底板上进行涂布成膜等优点，但过去的SWCNT由于含有金属性SWCNT，因此无法实现晶体管功能。此前，IBM等公司曾利用导电性的不同，开发出了用电把金属性SWCNT全部烧掉的方法，但实际上却很难对通电条件等进行优化。产综研此次尝试有可能为业界带来一种可有效地提取半导体性SWCNT的方法。

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