一种半导体型单壁碳纳米管分离富集的方法技术

本发明专利技术涉及单壁碳纳米管分离纯化的技术领域，特别是一种半导体型单壁碳纳米管分离富集的方法。通过高强度的聚焦光对完全润湿的单壁碳纳米管进行辐照，快速地选择性刻蚀除去其中的金属型单壁碳纳米管后，得到高纯的半导体型单壁碳纳米管。

【技术实现步骤摘要】
一种半导体型单壁碳纳米管分离富集的方法
本专利技术涉及单壁碳纳米管分离纯化的
，特别是一种半导体型单壁碳纳米管分离富集的方法。
技术介绍
单壁碳纳米管(SWCNT)可以看作是由单层石墨烯片卷曲而成的具有一维中空管状结构的纳米碳材料。根据卷曲矢量的不同，单壁碳纳米管可分为金属型单壁碳纳米管和半导体型单壁碳纳米管。目前，合成单壁碳纳米管的方法合成出来的单壁碳纳米管通常都是上述两种单壁碳纳米管的混合物，这就严重限制了单壁碳纳米管在电子学领域的应用。特别是半导体型单壁碳纳米管在柔性及超薄微电子器件领域的产业化应用受到很大地制约。因此，开发一种高效的分离技术，实现高纯半导体型单壁碳纳米管的富集，是解决上述问题的有效途径。近年来，研究表明，气相刻蚀法是分离金属型单壁碳纳米管和半导体型单壁碳纳米管的有效方法。这些气相刻蚀法常用的刻蚀气体有氧气、二氧化碳、二氧化硫等等，该方法一般需要在高温气氛下进行，所花费的时间也较长。然而，这种方法存在两个方面的问题：(1)由于实际的单壁碳纳米管通常并不是以单根离散的形式存在的，而是管与管之间以六角密堆积的管束形式存在，管束之间又是随机堆叠，相互缠绕，而且金属型和半导体型单壁碳纳米管也通常是随机分布在管束之中，并且经常缠绕在一起。这些现实情况下严重限制了这类方法的效率和产率，同时容易在SWCNT表面造成更多的结构缺陷。(2)该方法涉及到高温高腐蚀环境，不仅能耗大且对设备也有强烈腐蚀作用。以上问题的存在，严重影响了该分离技术的使用推广。
技术实现思路
本专利技术的目的就是针对现有技术的一些不足，提供了一种半导体型单壁碳纳米管的分离富集方法，实现半导体型单壁碳纳米管高效宏量的富集。本专利技术是通过以下技术方案实现的，将原始的SWCNT置于基底之上，并用适量的去离子水将SWCNT完全润湿，然后通过高强度的聚焦光波对准SWCNT进行逐个区域地扫描辐照，与SWCNT管壁表面的水分子在高能量的光波辐射下，迅速激发出大量的活泼氧自由基，该自由基选择性地与金属型SWCNT发生剧烈地氧化刻蚀反应，直至反应停止，最终在短时间内实现了毫克量级的半导体型单壁碳纳米管的分离富集。本专利技术的方法包括以下步骤：将原始的SWCNT膜片放在基底之上，并用少许适量的去离子水将SWCNT完全润湿，然后通过高强度的聚焦光对准SWCNT对每个区域点进行逐一地扫描辐照，在辐照瞬间，SWCNT表面发生剧烈的刻蚀反应，直至刻蚀反应停止，保留下来的SWCNT即为得到的半导体型单壁碳纳米管；所述的少许适量的去离子水与SWCNT的量和平展面积有正相关，所述的去离子水的量指的是能将SWCNT表面完全润湿即可；所述的SWCNT膜片，其单位面积的SWCNT质量为1mg/cm2以下，优选0.5mg/cm2以下；所述的高强度的聚焦光可以是聚焦的人造光、太阳光、紫外光、可见光、红外光或激光中一种或多种；所述的每个区域点的扫描辐照，其辐照的时间为1～60s，优选1-10s。所述的SWCNT的管径为0.5-2.0nm。本专利技术提供的半导体型单壁碳纳米管的分离富集方法区别于现有技术的特点在于：本专利技术直接利用高能的聚焦光波(包括天然太阳光聚焦光)对SWCNT管壁表面的水分子激发裂解产生的氧自由基在原位对金属型SWCNT进行高选择性地刻蚀，一步实现高纯半导体型SWCNT的分离富集；现有技术对单根的离散的SWCNT比较有效，而现有的原始SWCNT往往并不是以单根离散的形式存在的，而是管与管之间以六角密堆积的管束形式存在，管束之间又是随机堆叠，相互缠绕；而且其中的金属型和半导体型SWCNT随机分布在管束之中，并经常缠绕在一起，对此类型的SWCNT分离现有技术很难奏效，而本专利技术方法对上述两类型SWCNT均能实现有效分离；且专利技术中通过超快反应刻蚀，能够最大限度地保证得到的半导体型SWCNT结构不被破坏从而避免造成结构缺陷；该专利技术能实现水的高效利用，节能环保，且所涉及的设备简单，成本低廉。在本专利技术中，我们分离的效果和原始SWCNT膜的厚度(单位面积的质量)以及光波能量强度有密切关系。其中对于越厚的SWCNT膜片，其分离效果就会比较差一些，因此越厚膜其分离富集的难度也越大。另外，光波能量强度越强，越有利于短时间内实现水分子的充分裂解，从而使SWCNT被充分刻蚀，分离效率也越高。本专利技术的有益效果为：1.直接用固相SWCNT作为初始材料，避免了制作单根离散SWCNT时涉及到的超声分散或超高速离心等繁琐过程，大大提高了处理量和产量。单次处理量从现有技术的微克量级提升到毫克量级，且富集的半导体型SWCNT纯度仍可达到95％以上，且收集的半导体的结构仍然完好无损，整个处理过程并没有给SWCNT引入额外的结构缺陷。2.一个分离富集的周期仅用几分钟，且整个分离过程涉及的仪器设备及步骤简单易行，节能环保，成本低廉，非常具有规模化生产的前景。附图说明图1为原始SWCNT的扫描电镜照片。图2为得到的半导体型SWCNT的扫描电镜照片。图3为原始SWCNT膜(曲线A)和得到的半导体型SWCNT膜(曲线B)的近红外-可见吸收光谱图谱。图4为原始SWCNT膜和得到的半导体型SWCNT膜的在785nm激光波长下的拉曼光谱图谱，曲线A代表原始SWCNT膜的光谱线，曲线B代表得到的半导体型SWCNT膜的光谱线。具体实施方式实施例1：(1)选择性地对金属型SWCNT进行刻蚀：将面积为12.5平方厘米，单位面积质量为0.3mg/cm2的原始SWCNT膜片(碳管管径为1.1～2.0nm)平放在透明石英玻璃基底上，再用数滴去离子水将SWCNT刚好均匀润湿，然后用凸透镜聚焦后的太阳光对SWCNT每个区域点进行逐一地扫描辐照刻蚀，每个辐照区域点所需时间很短，在1～10s内即可完成刻蚀反应，整个辐照过程在10分钟内即可全部完成，则最后保留下来的SWCNT即为得到的半导体型单壁碳纳米管。(2)处理前后的SWCNT样品的表征与分析：将原始SWCNT膜、步骤(1)处理后的SWCNT膜以及最终得到的半导体型SWCNT膜分别进行了扫描电镜、近红外-可见吸收光谱、激光显微拉曼光谱的检测。图1、2分别为原始SWCNT和处理后得到的半导体型SWCNT的扫描电镜照片，从图中可以确定得到半导体型SWCNT仍然保持SWCNT本征的结构。图3为分别原始SWCNT膜、处理后得到半导体型SWCNT膜的近红外-可见吸收光谱谱图。从图中可以发现，经过上述步骤处理之后，原始SWCNT中的金属型SWCNT的峰消失了，而半导体型SWCNT的峰仍然保留，表明SWCNT中的金属型SWCNT几乎被完全去除，半导体型SWCNT被成功富集，通过吸收峰的相对峰面积测算，得到半导体型SWCNT的纯度为95wt％。图4的拉曼光谱分析进一步表明了金属型SWCNT几乎被完全去除，半导体型SWCNT被成功富集。而且从拉曼图谱中半导体型的SWCNT的ID/IG的比值并没有比原始的大，说明单壁碳纳米管的结构仍然是完好的，该方法并没有给富集的半导体型单壁碳纳米管表面引入额外的缺陷。实施例2：本实施例与实施例1不同之处在于：对不同厚度的原始SWCNT膜进行分别进行处理。本实施例中采用的SWCNT膜的厚度分别为0.01mg/cm2、0.05mg/cm2、0.5mg/cm2、1mg/c本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种半导体型单壁碳纳米管分离富集的方法，其特征在于，通过高强度的聚焦光对完全润湿的单壁碳纳米管进行辐照，快速地选择性刻蚀除去其中的金属型单壁碳纳米管，得到高纯的半导体型单壁碳纳米管。

【技术特征摘要】
1.一种半导体型单壁碳纳米管分离富集的方法，其特征在于，通过高强度的聚焦光对完全润湿的单壁碳纳米管进行辐照，快速地选择性刻蚀除去其中的金属型单壁碳纳米管，得到高纯的半导体型单壁碳纳米管。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：将原始的单壁碳纳米管膜片放在基底之上，并用少许适量的去离子水将单壁碳纳米管完全润湿，然后通过高强度的聚焦光对准单壁碳纳米管对每个区域点进行逐一地扫描辐照并快速地发生刻蚀反应至刻蚀反应停止，保留下来的单壁碳纳米管即为得到的高纯半导体型单壁碳纳米管。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的少许适量的去离子水的量为可将单壁碳纳米管表面完...

【专利技术属性】
技术研发人员：官轮辉，吴初新，缪育明，
申请(专利权)人：中国科学院福建物质结构研究所，
类型：发明
国别省市：福建,35