[发明专利]用于单壁碳纳米管应用的可分解的S-四嗪类聚合物

说明书

一种纯化用共轭聚合物萃取的半导体单壁碳纳米管(sc‑SWCNT)的方法，该方法包括在经处理的sc‑SWCNT分散体中使共轭聚合物与s‑四嗪类聚合物进行交换，所述经处理的sc‑SWCNT分散体包含与sc‑SWCNT结合的共轭聚合物。该方法可以用于薄膜晶体管和化学传感器的制造。此外，本文公开了s‑四嗪类聚合物用于纯化半导体单壁碳纳米管(sc‑SWCNT)的用途。

技术领域

本申请涉及碳纳米管。特别地，本申请涉及s-四嗪类聚合物在单壁碳纳米管应用中的用途。

背景技术

最近，作为新兴的材料，单壁碳纳米管(SWCNT)由于其特殊的电学、光学和机械性质而引起了广泛的研究兴趣。对于不同的应用，必须对原始的SWCNT材料进行纯化和富集，这是因为原始的SWCNT材料包含金属的(m)和半导体的(sc)单壁碳纳米管、无定形碳、催化剂和其他杂质。例如，sc-SWCNT可以用作逻辑电路和其他电子器件中的场效应晶体管(FET)中的有源沟道材料。在各种纯化方法中，相比之下，聚合物萃取(PE)方法是低成本且可规模化的方法，并且由该方法得到的sc-SWCNT材料也表现出相当高的纯度水平。

最近，已经开发出共轭聚合物萃取(CPE)方法以纯化单壁碳纳米管(SWCNT)原料。与其他基于表面活性剂的方法(如密度梯度超速离心(DGU)、凝胶色谱和双相分离)相比，CPE简单、可规模化且成本有效，因此具有非常适合工业应用的性质。更重要的是，所得的分散产物为基于有机溶剂的分散体，其具有相对较高的管含量(例如高达～20％至50％)。这实现了SWCNT材料在器件制造的应用和性能方面的额外益处。

然而，与CPE方法相关的问题之一在于难以除去在纯化或器件制造之后残留在sc-SWCNT上的共轭聚合物。在其他方法中，表面活性剂用于将管分散在溶液中。虽然这些小分子与sc-SWCNT具有较弱的相互作用并且可以通过简单的冲洗步骤容易地从sc-SWCNT表面除去，但是需要大过量的表面活性剂，这在许多情况中是不合需要的。CPE方法的一个优点为：当与小分子表面活性剂(其以95％以上的重量百分比存在)相比时，仅需要重量比相对较低的聚合物分散剂(例如聚合物/管重量比2)以形成稳定的分散体，特别是当使用共轭聚合物和/或以高浓度使用时更是如此。

共轭聚合物对sc-SWCNT具有更强的附着相互作用，并且可以螺旋地缠绕在sc-SWCNT周围。此外，在非极性有机介质中，共轭聚合物和sc-SWCNT表面之间的π-π堆积相互作用可以强于在极性溶剂中共轭聚合物和sc-SWCNT表面之间的π-π堆积相互作用。然而，即使在彻底的溶剂冲洗之后，分散体中的聚合物含量仍然可以超过～50重量％。这将降低在化学电阻器或晶体管中使用sc-SWCNT的传感器的灵敏度。

解决该问题的一种方法是使用被引入CPE方法的具有特殊化学部分的聚合物。这些聚合物可以为基于配体和金属离子之间的相互作用的金属配位聚合物或者H-键合的超分子聚合物。通过酸处理可以容易地破坏这些连接，使得聚合物将降解成小单元。一些聚合物可包含可降解单元，如乙硅烷、可光裂解的邻硝基苄基醚和亚胺键。其他聚合物可包含特殊单元(如偶氮苯或可折叠低聚物)，因此通过外部刺激(如热异构化)或通过使用不同的溶剂可以改变这些聚合物的构象。

尽管前述可降解聚合物可以用于sc-SWCNT纯化和/或分散，但仍存在一些主要缺点。例如，只能够在降解后部分地除去聚合物；大部分降解都是在溶液中进行的；在聚合物降解后，sc-SWCNT会在溶液中形成束，使其不容易用于器件制造；以及，在制造后的器件表面上，由于预期sc-SWCNT可能从表面被除去，因而上述聚合物的降解没有被证实。

因此，需要能够形成稳定的sc-SWCNT分散体的聚合物，该聚合物可以在溶液中或器件制造后容易地从sc-SWCNT中被除去，而不使sc-SWCNT从器件的表面被除去。

以下文献(所有文献均通过引用并入本文)公开了用于纯化CNT的CPE方法的其他类别的可降解和/或可除去的聚合物：