[发明专利]一种半导体型碳纳米管的富集方法

说明书

技术领域

     本发明涉及一种半导体型碳纳米管的富集方法，属于碳纳米管材料制备技术领域。单壁碳纳米管因其独特的单碳原子层构成的中空管状结构而具有非常独特的性能，尤其是半导体型单壁碳纳米在纳米电子器件领域具有重要的应用价值，可用于太阳能电池、纳米传感器、高性能纳电子器件、场发射材料以及能量存储器件等技术领域。

背景技术

碳纳米管可以比作是由石墨层按照一定方向卷曲而成具有纳米空腔结构的一维管状纳米材料，其与富勒烯等一同被看作碳元素的同素异形体。由于其独特的化学结构以及优异的物理化学性质，自从被发现便吸引全世界材料科学家的极大兴趣，它被预测为21世纪最有前途的一维纳米材料之一。

1993年Iijima与IBM实验室的Bethune等分别独立的合成了单壁碳纳米管（以下简称SWCNTs）。它以其独特的电学、化学、力学和热学性能迅速成为学术界的研究热门。SWCNTs是结构最简单的碳纳米管，其可以被看作是单层石墨烯片按照一定的晶体学矢量方向卷曲而成的无缝空心圆筒，其直径一般在1.0nm～2.0nm左右，但长度可达十微米甚至几毫米。由于卷曲矢量的不同，单壁碳纳米管呈现出不同的化学结构及性质，因此按照电学性质的不同，SWCNTs可分为金属型单壁碳纳米管（以下简称M-SWCNTs）与半导体型单壁碳纳米管（以下简称S-SWCNTs）两类。

目前所获得的单壁碳纳米管都是金属型和半导体型的混合物，其中M-SWCNTs约占33%，S-SWCNTs约占67%。M-SWCNTs禁带宽度几乎为零，其费米能级附近有密度适中的电子，具有优异的导电性能、良好的弹道输运特性，是制备纳米导线的理想材料；而S-SWCNTs是制备纳米半导体电子器件的优良材料，具体应用领域包括晶体管、逻辑门、导电薄膜、场发射管、传感器、光学器件等。然而时至今日，用目前已知的所有制备单壁碳纳米管（SWCNTs）的方法，包括电弧放电法、激光蒸发法和化学汽相淀积法，所获得的产物均为不同管径大小、手性结构各异碳纳米管的混合物。由于SWCNTs的性质独立地依赖其化学结构，因此这种不同产物的机械性混合导致SWCNTs在电学方面的性能与功能大打折扣，甚至距离其理论值相差甚远，这极大的阻碍了单壁碳纳米管在众多领域的应用研究进展。

尽管近年来科学家们在单壁碳纳米管的可控制备方面已取得了很大进展，相关研究结构也表明选择性制备具有较窄管径分布的SWCNTs是可能的，但是还没有一种成熟的技术或方法能够合成出单一种类的SWCNTs，这也许是碳纳米管至今还没有进入商业化应用阶段的主要原因。因此，人们开始对一种新方法进行研究，在该方法中先生长出金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管的混合物，然后通过选择性去除某种类型尤其是金属型碳纳米管，而获得最终的理想S-SWCNTs。

人们提出了一种密度梯度超高速离心分离法，其基本原理是超高速离心分离均匀分散到液相介质中的SWCNTs时，根据不同管径碳管的沉降系数的不同而实现分离。这种方法虽然是一种非常有效的分离技术，但是该分离方法对半导体碳纳米管的手性选择性不明显，而且在实际操作中具有一定的局限性。人们还报道了一种分离出金属型碳纳米管的方法-电泳分离法，该方法是将碳纳米管分散到溶液中，通过电泳让金属型碳纳米管附着到电极上。这种分离方法的优点是操作简单，但其缺点是很难进行较大量的分离操作，不适合量产，因此大大抑制了其实用性。此外，还包括通过DNA选择性与特定手性碳纳米管相结合而实现分离的方法、混酸选择性氧化法等。

综上所述，研究并发展一种在提高分离或富集单壁碳纳米管的有效性的同时，还尽可能保留所获得的产物的基本特性的、操作简单、易于规模化的分离碳纳米管的新技术仍然是本领域一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种半导体型碳纳米管的富集方法。所述方法中同时引入了对不同类型碳纳米管具有选择性作用的液体试剂，以及微波辐射处理。前者兼具分散碳纳米管与选择性分离的作用，而后者不仅使得液体试剂对不同类型的碳纳米管的选择性更加明显，同时也大大降低了反应和处理时间，因此本发明中涉及的分离碳纳米管的方法使得分离工序更加简便、分离效率大大提高。本发明利用微波辐射与液体试剂对金属型碳纳米管的双重作用，使分离后的碳纳米管保持结构与性能稳定，有利于实现对碳纳米管分离过程的精确控制，以获取结构完整的半导体型碳纳米管样品，并易于实现碳纳米管大量、高效、精确分离，为商业化分离碳纳米管提供了一条有效途径。

本发明的技术方案