英文原题：Controlled Preparation of Single-Walled Carbon Nanotubes as Materials for Electronics
通讯作者：Yan Li (李彦), Zeyao Zhang (张,则尧)
作者：Yuguang Chen (陈昱光)#, Min Lyu (吕敏)#, Zeyao Zhang (张则尧), Feng Yang (杨烽), Yan Li (李彦)
背景介绍
单壁碳纳米管具有极为独特的结构和优异的性能，作为场效应晶体管的沟道材料有着良好的应用前景。高端电子学器件应用要求单壁碳纳米管的半导体性纯度>99.9999%，并排列成高度顺排、高密度的单层阵列，管间距在5 ~ 10 nm（即100 ~ 200 根/μm）并保持良好的均匀性。进一步地，为了尽量减少由碳管带隙差异带来的器件性能波动，碳管应当具有极窄的直径分布，甚至具有完全一致的结构。为满足上述要求，单壁碳纳米管的可控制备就成为了一项关键的挑战。在本篇展望中，我们从结构可控生长、选择性分离和溶液组装这三个主要方面概述了单壁碳纳米管的制备，并讨论了当前的挑战和机遇。我们希望本文能为解决现有的挑战提供一些思路，并促进基于单壁碳纳米管的高性能电子学应用的发展。
文章亮点
本文以面向器件应用的视角，评述了过去25年中单壁碳纳米管在可控制备、选择性分离和溶液组装等三个方面的研究思路和进展，探讨了当前的挑战和机遇，以期为解决这些挑战提供一些思路，并促进基于单壁碳纳米管的高性能电子学应用的发展。
图文解读
面向电子学应用的单壁碳纳米管制备的首要目标是通过可控生长和选择性分离获得高纯度的半导体性单壁碳管，而终极目标是制备带隙完全一致（即单一手性）并顺排成阵列的半导体性单壁碳管。单壁碳纳米管在高性能电子学器件中的实际应用必须建立在结构可控生长、选择性分离和溶液组装等三个方面全面发展的基础之上。
图1.基于单壁碳纳米管的集成电路示意图。
在可控生长方面，基于“电致再成核”的生长策略实现了99.9%的半导体性纯度，在阵列生长上显示出巨大的潜力。利用基于Co7W6金属间化合物催化剂的手性可控生长策略，在热力学控制和动力学控制协同作用下，不仅可以获得高纯度半导体性碳管，更可以实现单一手性碳管的选择性生长。扩大生长规模是该领域的一个挑战。
在选择性分离方面，目前已发展出三类被广泛采用的分离方法，即色谱法（包括体积排阻色谱法和凝胶色谱法）、密度梯度离心法和双水相分离法，实现了纯度达到99.9999%的半导体性碳管和30多种单一手性碳管的分离。然而，对于管径>1.2 nm的单一手性碳管的分离仍然是一个挑战。现阶段，水相中的分离方法均存在碳管的长度和半导体性纯度不足的问题。进一步发展对碳管结构破坏性较小的分散过程和提高金属性/半导体性分离的分辨率是两个至关重要的挑战。共轭聚合物在有机相中的选择性分散为直接制备高纯度半导体性碳管提供了一个简便的方法，降低了其器件应用的门槛。但是，在聚合物结构设计上需要更多的突破以提高分散的产率和在大管径范围的选择性。
图2.通过可控生长（蓝色方形）和选择性分离（红色三角形）制备高纯度半导体性单壁碳管的发展情况。
在组装方面，目前文献已报道了密度在100-200根/μm的碳管组装结果，并且具有很高的顺排程度（S2D ≥ 0.95）。然而，对于目前大多数溶液组装方法而言，组装密度较低仍然是其应用的限制因素。这一点有望通过可控的预聚合过程加以改善。目前的挑战还包括：如何改善表界面波动以提高阵列的均匀性，阐明溶剂和分散剂在组装中的作用以增强方法对不同分散剂的适用性，以及开发水相组装方法以扩大高手性纯度碳管平行阵列的应用等。
图3.不同溶液组装方法实现的单壁碳纳米管阵列的密度和有序参数 S2D 总结。
从全局来看，该领域的一大挑战是将生长、分离和组装整合起来。这三个方向必须作为一个整体进行研究并协同优化。生长得到的碳管的状态和手性分布将影响其可分散性、分离效率以及碳管利用率；分离得到的碳管的长度、表面电势以及溶液的流体性质将影响组装的结果；组装策略的选择也必须考虑到分离得到的碳管的溶剂和分散分子的性质。此外，从集成化的要求出发，必须更加关注制备的可重复性以及阵列的均匀性，以减少每个晶体管器件性能之间的波动。碳管的制备应与器件设计和制造紧密配合，形成一个完整的迭代循环。只有这样才能真正促进碳纳米管集成电路的长远发展。
此外，对于高纯度半导体性碳管，缺乏可靠的纯度定量表征方法已成为研究的关键制约。目前，对纯度高于99.9%的半导体性碳管，唯一的定量方法就是制作场效应晶体管器件，分析器件的输运特性。这一方法不仅非常复杂，而且具有破坏性。建立高精度、高效率、纳米分辨率的无损定量方法是该领域进一步发展的必要条件。我们相信结合扫描探针显微术的分析方法可能有助于解决这个问题。
总结与展望
在过去的25年中，单壁碳纳米管的结构控制生长、选择性分离和溶液组装等方面的研究取得了重大进展，碳纳米管电子器件也从单个场效应晶体管发展到了大规模集成的微处理器。在这一过程中，碳纳米管的优越性能不断得到验证，在高性能微处理器和薄膜器件中都展现出巨大的潜力。高质量碳纳米管材料的实用化制备是其在电子学领域应用的前提。我们认为碳纳米管电子学的未来取决于碳纳米管制备技术的发展。
通讯作者信息
李彦 教授
北京大学化学与分子工程学院教授，教育部长江学者特聘教授，国家杰出青年基金获得者。曾获得国家自然科学二等奖（2020年）、教育部科技成果奖自然科学一等奖（2017年）等奖项。主要从事碳纳米管的制备、表征和应用的研究，包括碳纳米管的可控生长、分散与分离以及溶液组装，同时发展相应的表征技术以满足可控制备、分离、组装研究的需求，探索碳纳米管在纳电子学、能源及生物医学等方面的应用。
张则尧 副研究员
北京大学化学与分子工程学院特聘副研究员。2018年于北京大学获得理学博士学位（无机化学专业），导师为李彦教授。主要从事体相碳纳米管的可控制备研究
转自：“ACS美国化学会”微信公众号
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