选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法及应用技术

本发明专利技术公开了一种选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法及其应用。所述方法包括：将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物在分散介质中均匀混合形成分散溶液；将所述分散溶液分离形成固相部分和液相部分，并使特定直径及手性的单壁碳纳米管富集于所述液相部分；其中，所述共轭聚合物选自间位吡啶与二烷基芴的交替共聚物。本发明专利技术的方法简单高效，有极高的直径和手性选择性，可以实现低成本、规模化的特定直径和手性单壁碳纳米管的批量化制备，且所获得的特定直径和手性单壁碳纳米管易于制备大面积均匀薄膜，在微纳电子器件应用方面能够表现出优异性能。

Method and application of selective separation of single walled carbon nanotubes with specific diameter and chirality

The invention discloses a method for selecting and separating a single wall carbon nanotube with specific diameter and chirality and its application. The method comprises the following steps: single wall carbon nanotube materials and conjugated polymers even in dispersion medium mixed solution; the solution to form a solid phase separation part and the liquid phase, and the specific SWNT diameter and chiral enrichment in the liquid phase; the alternating copolymer of the conjugate a polymer selected from the group consisting of pyridine and two alkyl fluorene. The method of the invention is simple and efficient, high diameter and chiral selectivity, batch preparation can achieve specific diameter and low cost, the scale of the chiral single-walled carbon nanotubes, and the specific diameter and chiral single-walled carbon nanotubes can be easily prepared large-area uniform films can exhibit excellent performance in micro the application of nano electronic devices.

【技术实现步骤摘要】
选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法及应用
本专利技术特别涉及一种选择分离具有特定直径和手性的单壁碳纳米管的方法，属于碳纳米管

技术介绍
单壁碳纳米管(SWCNTs)具有独特的一维纳米结构，其优异的光学、电子学、力学、热力学等性质使其在很多领域，特别是在集成电路、场效应晶体管等领域有很好的应用前景。目前用于合成单壁碳纳米管的方法分为化学气相沉积法、电弧催化法和激光蒸发法等，但这些方法得到的单壁碳纳米管都是不同管径、导电属性和手性的单壁碳纳米管的混合物。其中大约1/3是金属型SWCNT，2/3是半导体型SWCNT。半导体型SWCNT是一种优异的半导体纳米材料，其本征载流子迁移率高达70000cm2V-1s-1，并且大直径的半导体型SWCNT具有更高的迁移率，因此其在场效应晶体管的应用被寄予厚望。但是金属型SWCNT的存在会大大降低电子器件的迁移率和开关比。不同手性的半导体型SWCNT混合也会影响器件性能的均一性和灵敏度，限制了其在电子器件中的应用。因此必须将不同导电属性的单壁碳纳米管有效分离且半导体型SWCNT的直径分布和手性分布越窄越好。由于不同类型的单壁碳纳米管的组成和化学性质之间的差异十分微小，使得单壁碳纳米管的分离特别是窄手性大直径的单壁碳纳米管的分离面临巨大的困难。SWCNT分离研究主要是基于不同手性的碳纳米管之间由于化学和电子结构的不同而形成的微弱物理和化学性质差异。目前用于分离得到单一手性的SWCNTs的方法可以根据分散碳纳米管的材料不同而分为表面活性剂体系、生物分子体系和共轭分子体系，但其在应用时各有优缺点。例如，表面活性剂体系主要是通过表面活性剂对SWCNTs进行表面修饰和分散，然后结合密度梯度离心法、色谱法和双水相萃取法实现手性分离。但是，其中密度梯度离心法和色谱法存在工艺复杂、成本高、产量低等一系列问题。另外，上述方法中碳纳米管表面的表面活性剂难以去除会影响碳纳米管的电子学性能。又如，生物分子体系中由于生物分子本身具备很好的生物兼容性而适用于生物医药领域，但是特定序列的DNA、多肽的成本过高，限制了其规模化应用与推广。以Kim等人的研究为例，其利用双链基因组DNA(鲑鱼DNA)选择性分离富集了(6,5)管，但是其成本极高、分离得到的(6,5)管纯度低。与此对比，共轭分子体系只需要简单的超声和离心过程就可以实现单壁碳纳米管的手性选择性分离，工艺简单，可以量产单一手性半导体型SWCNTs。并且由于共轭聚合物本身是一种良好的半导体，吸附在碳纳米管表面的聚合物无需去除就能够应用于电子器件和光学成像等领域。目前，利用共轭聚合物已经可以分离出(7,5)、(7,6)等较小管径的碳纳米管，并有少量晶体管器件的报道。但是最适合作为半导体器件的直径在1.1～1.3nm范围的单手性碳纳米管分离还很少见，能够同时满足器件所需纯度的分离就更为困难，迄今尚未见此类报道。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法及应用，以克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供的一种选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法包括：将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物在分散介质中均匀混合形成分散溶液，将所述分散溶液分离形成固相部分和液相部分，并使特定直径及手性的单壁碳纳米管富集于所述液相部分。进一步的，所述共轭聚合物选自间位吡啶与二烷基芴的交替共聚物。较为优选的，所述共轭聚合物选自具有下式所示结构的化合物：R为具有6～16个碳原子的直链烷基，n为5～60中的任一整数。进一步的，所述的特定直径及手性的单壁碳纳米管中(10,8)型单壁碳纳米管的含量在80％以上，且所含单壁碳纳米管的直径为1.1～1.3nm。进一步的，所述的特定直径及手性的单壁碳纳米管包含不超过三种手性的单壁碳纳米管。本专利技术实施例提供的单壁碳纳米管材料包含不超过三种手性的单壁碳纳米管，其中(10,8)型单壁碳纳米管的含量在80％以上，且所含单壁碳纳米管的直径为1.1～1.3nm。本专利技术实施例还提供了所述单壁碳纳米管材料的用途。与现有技术相比，本专利技术提供的选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法简单高效，有极高的直径和手性选择性，可以实现低成本、规模化的特定直径和手性单壁碳纳米管的批量化制备，且所获的特定直径和手性单壁碳纳米管易于制备大面积均匀薄膜，在微纳电子器件应用方面能够表现出优异性能。附图说明图1是本专利技术一实施例中经离心分离后所获上清液的UV-Vis-NIR吸收光谱图；图2是本专利技术一实施例中经离心分离后所获上清液的PLE图；图3是本专利技术一实施例所获单根单壁碳纳米管的AFM形貌图；图4是本专利技术一实施例中一种晶体管器件的转移曲线图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本专利技术的实施方式仅仅是示例性的，并且本专利技术并不限于这些实施方式。在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本专利技术，在附图中仅仅示出了与根据本专利技术的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本专利技术关系不大的其他细节。本专利技术实施例的一个方面提供的选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法包括：将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物在分散介质中均匀混合形成分散溶液，将所述分散溶液分离形成固相部分和液相部分，并使特定直径及手性的单壁碳纳米管富集于所述液相部分。其中，所述共轭聚合物为间位吡啶与二烷基芴的交替共聚物，其优选自具有下式所示结构的化合物：其中，芴基团上桥联碳原子上的两个R可以相同或不同，为具有6～16个碳原子的直链烷基，n为5～60中的任一整数。进一步的，所述单壁碳纳米管原料中所含碳纳米管的管径为0.6～1.3nm。进一步的，所述单壁碳纳米管原料可以是通过化学气相沉积法制备的，例如可以是HiPco工艺或CoMoCat工艺。进一步的，所述分散介质包括有机溶剂，例如可选自但不限于甲苯、二甲苯、氯苯、四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷、己烷、环己烷中的任意一种或两种以上的组合。在本专利技术的一些实施方案中，至少可选用超声、振荡、搅拌、研磨方式中的任意一种使单壁碳纳米管原料与共轭聚合物在分散介质中均匀混合形成所述分散溶液。在本专利技术的一些较佳实施方案中，可以通过对所述分散溶液进行离心处理，离心转速优选为10000g～1000000g，时间优选为10min以上，尤其优选为10min～4h，从而将所述分散溶液分离形成固相部分和液相部分，从液相部分可以获得具有特定直径及手性的单壁碳纳米管。其中，离心速度越高、离心时间越长，分离得到的单壁碳纳米管的手性纯度越高。在本专利技术的一些较佳实施方案中，还可以通过滤孔孔径为0.1～0.5μm的滤膜对所述液相部分进行过滤处理，可以获得具有特定直径及手性的单壁碳纳米管的粉体。在本专利技术的一些较佳实施方案中，还可以通过对所述液相部分进行超高速离心处理，其中离心转速为200000g～1000000g，可以进一步提纯具有特定直径及手性的单壁碳纳米管。通过前述的过滤处理或超高速离心处理，可以基本洗去多余的共轭聚合物，获得基本除去共轭聚合物的单壁碳纳米管粉体。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法，其特征在于包括：将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物在分散介质中均匀混合形成分散溶液，将所述分散溶液分离形成固相部分和液相部分，并使特定直径及手性的单壁碳纳米管富集于所述液相部分；所述共轭聚合物选自具有下式所示结构的化合物：

【技术特征摘要】
1.一种选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法，其特征在于包括：将单壁碳纳米管原料与共轭聚合物在分散介质中均匀混合形成分散溶液，将所述分散溶液分离形成固相部分和液相部分，并使特定直径及手性的单壁碳纳米管富集于所述液相部分；所述共轭聚合物选自具有下式所示结构的化合物：其中，R为具有6～16个碳原子的直链烷基，n为5～60中的任一整数。2.根据权利要求1所述的选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法，其特征在于：所述单壁碳纳米管原料所含碳纳米管的管径为0.6～1.3nm。3.根据权利要求1所述的选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法，其特征在于：所述分散介质包括有机溶剂，所述有机溶剂包括甲苯、二甲苯、氯苯、四氢呋喃、氯仿、二氯甲烷、己烷、环己烷中的任意一种或两种以上的组合。4.根据权利要求1所述的选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法，其特征在于包括：至少选用超声、振荡、搅拌、研磨方式中的任意一种使单壁碳纳米管原料与共轭聚合物在分散介质中均匀混合形成所述分散溶液。5.根据权利要求1所述的选择分离特定直径及手性的单壁碳纳米管的方法，其特征在于包括：对所述分散溶液进行离心处理，离心转速为10000g～1000000g，时间在10m...

【专利技术属性】
技术研发人员：顾健婷，李红波，金赫华，李清文，邱松，韩杰，纪其燕，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32