研發(fā)背景

?單壁碳納米管（SWCNTs）具有極高載流子遷移率和載流能力，已成為下一代電子和光電子集成電路（IC）的潛在候選者。SWCNTs的能帶結(jié)構由其原子排列結(jié)構決定，具有結(jié)構可調(diào)的光學和電學性質(zhì)，建立SWCNTs的光學和電學性質(zhì)與其結(jié)構之間的關系對于設計高性能碳基電子和光電器件至關重要。

研究成果

近年來由于凝膠色譜的快速發(fā)展，已經(jīng)大規(guī)模地制備了各種單手性SWCNTs，使我們能夠系統(tǒng)地探索SWCNTs的電輸運性質(zhì)與其手性結(jié)構之間的關系，基于通過凝膠色譜分離的多個單手性SWCNTs，中國科學院劉華平團隊系統(tǒng)地研究了SWCNTs手性結(jié)構的影響，包括（6,5）、（7,3）、（7.5,5），（7,6），（8,4），（9,1），（9.2）、（9,4）、（10,2），（10,3）和（11,1）對電傳輸性質(zhì)的影響。結(jié)果表明：直徑小于1nm的SWCNTs的導電性質(zhì)取決于其手性結(jié)構，而非納米管直徑，比如，（6，5）和（9，1）SWCNT具有相同直徑，但（9，2）表現(xiàn)出更高的導通電流和更高的載流子遷移率。觀察到明顯的類型和家族依賴關系，對于I型SWCNTs（mod（2n+m，3）=1），導通電流和載流子遷移率隨著手性角的增加而增加（2n+m=常數(shù)），而對于II型SWCNTs（mod（2n+m，3）=2），結(jié)果相反。這可以通過它們的電子能帶結(jié)構的差異來解釋，這些差異決定了金屬電極和SWCNTs之間的接觸勢壘高度、結(jié)電阻甚至本征電阻，此研究加深了對SWCNTs導電性能的理解，且為高性能碳基電子和光電器件的設計提供了重要的科學指導。

此項研究工作以“Chirality-dependent electrical transport properties of carbon nanotubes obtained by experimental measurement”為題，發(fā)表在國際頂級期刊《Nature Communications》上。

圖文速遞

為研究SWCNTs的手性結(jié)構對導電性能的影響，通過凝膠色譜法分離11種單一手性碳納米管膜來構建薄膜晶體管，圖1a、b顯示了單手性SWCNTs溶液的光學吸收光譜，可清楚地識別出每種類型的單手性物質(zhì)，每一種碳納米管膜的S11和S22區(qū)域中的一個主要光學吸收峰和獨特的溶液顏色表明它們具有高手性純度，多數(shù)的手性純度都高于85%，（6，5）、（7，3）、（7,5）和（8,4）SWCNTs表現(xiàn)出高于90%的手性純度，通過激發(fā)波長為488、514和633nm的拉曼光譜檢測每個（n，m）物種中的金屬SWCNT，結(jié)果表明這些SWCNTs純度足夠高，測得相應薄膜的電性能代表其固有性質(zhì)，研究中使用的各種單手性SWCNTs包含兩種類型和五種族（圖1c），在實驗中測量的具有代表性的SWCNTs薄膜的電傳輸性質(zhì)可充分反映SWCNTs的手征結(jié)構對其電性能的影響?；诒∧ぞw管（TFT），測量了SWCNTs的導電性能，在構建TFT之前，通過堿性小分子調(diào)控技術制備了密度可控的SWCNTs薄膜，如圖1d所示，基于低密度的原子力顯微鏡（AFM）的SWCNTs薄膜圖像，統(tǒng)計分析了它們的長度分布（圖1e），每個SWCNTs的平均長度為200至270nm，長度分布沒有顯著差異，圖1f顯示了用于構建TFT的高密度SWCNTs膜的典型圖像，其線密度控制在約32±5管/μm（圖1g）。?

如圖2a所示，在SiO2/Si 基質(zhì)上制備SWCNT TFTs的通道長度和寬度為2和20μm，用此測量SWCNTs薄膜的導電性質(zhì)，使用15nm厚的HfO2作為介電層。在沉積HfO2層之前，TFT在真空中退火，移動吸附在SWCNTs膜上的O2分子，O2分子嚴重影響SWCNTs TFT的本征性能，圖2b–f顯示了按家族分類的11種單手性SWCNT TFTs的轉(zhuǎn)移特性，通過比較同一系列不同手性SWCNTs薄膜的電性能，可知II型SWCNTs，對應于p型和n型分支的導通電流隨著手性角的增加而減小，而I型SWCNTs則相反。?

為定量比較不同的手性SWCNTs，遵循常規(guī)方法提取了導通電流轉(zhuǎn)移曲線的兩個分支（p分支和n分支）的遷移率，如圖3a-d所示，隨著直徑增加，導通電流和載流子遷移率都會增加。SWCNTs的類型和手性角對其電傳輸性質(zhì)有較大影響，這一點尚未在實驗中觀察到。對于II型SWCNTs，在同一家族中，與p-和n-分支相對應的導通電流隨著手性角的增加而減少，而對于I型單壁CNT，除了（7，5）和（9，1）SWCNT家族外，趨勢相反，其中p-分支顯示出異常的手性角依賴性。同一家族的SWCNTs，隨著手性角的增加，導通電流或載流子遷移率的變化可以高達一個數(shù)量級。?

TFT傳導機制比較復雜，如圖4a所示，在TFT的導電溝道中，載流子從源電極注入SWCNTs，在SWCNTs中傳輸，跨越兩個重疊的SWCNTs之間的結(jié)，最終被漏電極收集。在這個過程中，載流子的注入和收集應該克服金屬電極和半導電SWCNTs之間的肖特基勢壘，該勢壘在宏觀導電行為中表現(xiàn)為接觸電阻（圖4a中的2Rc）同時，注入后的載流子受到管內(nèi)傳輸（圖中的SWCNTs電阻（R-CNT））的影響。如圖4d，e所示，接觸電阻2Rc顯示手性角度依賴性，這與導通電流和遷移率幾乎相同。

同一家族中，I型SWCNTs和電極之間的肖特基勢壘高度（2Rc）隨著手性角增加而降低，II型單壁CNT的肖特基壘高度隨著手性角增加而增加，通過這種方式，載流子更容易從源電極注入到具有較大手性角的I 型SWCNTs型中。結(jié)果，SWCNTs表現(xiàn)出更高的導通電流和載流子遷移率。相反，在同一家族中具有較小手性角的II型SWCNTs具有較高的導通電流和載流子遷移率。

溝道電阻（RL）在TFT性能中也起著關鍵作用，根據(jù)從TFT中提取的RL（圖4g，h），溝道電阻對類型和手性角度有依賴性。具有較大手性角的同一家族中的I型SWCNTs表現(xiàn)出較低的電阻，而具有較小手性角的II型SWCNTs具有降低的電阻。SWCNTs的類型和手性角度對結(jié)電阻的影響與其對測量的溝道電阻的影響相反，這表明SWCNTs的電阻主要來源于結(jié)電阻，結(jié)電阻也與重疊面積密切相關，重疊面積大致近似為交叉管之間直徑的乘積。因此，直徑的增加會降低結(jié)電阻，這與通道電阻隨著直徑的增加而降低一致（圖4g，h）。

基于不同SWCNTs的電子能帶結(jié)構，從理論上分析了它們的類型和手性角對SWCNTs與電極之間的接觸電阻、SWCNTs本征電阻和管間接觸電阻的影響，解釋了關于SWCNTs手性與測量的電性能之間關系，實驗測得的電性能對其手性結(jié)構的依賴性與理論計算結(jié)果并不完全一致。隨著SWCNTs周圍表面活性劑的去除，SWCNTs手性純度的進一步提高和界面態(tài)密度的降低，可以更準確地預測SWCNTs的電性能對手性結(jié)構的依賴性。

結(jié)論與展望?

通過實驗測量由11種單手性SWCNTs膜構成的TFT的性能，探索手性SWCNTs結(jié)構對其電性能的影響，結(jié)果表明，SWCNTs的導電性能由其類型和手性角決定。在同一家族中，隨著手性角的增加，I型SWCNT表現(xiàn)出更高的導通電流和更高的遷移率，II型SWCNTs顯示出相反的趨勢，根據(jù)理論計算，手性相關的電性能是從電子能帶結(jié)構推導出來的，它決定了金屬電極與SWCNTs之間的接觸勢壘高度、本征電阻和管間接觸電阻。此研究解釋了SWCNTs的手性和電學性質(zhì)之間的關系，為基于SWCNTs的電子和光電子器件的設計提供了重要的科學指導。

文獻鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37443-7.