碳納米管薄膜電學輸運性能與其手性結構的依存關系

　　建立碳納米管電學輸運性能與其手性結構的依存關系，對于設計和構建高性能碳基器件具有重要意義。十多年前，科研人員嘗試基于單根碳納米管構建晶體管，探測其電學輸運性能與結構的關系。由于單根碳納米管電學信號弱，手性結構表征困難，揭示其性能與手性結構的關系頗具挑戰性。多種類單一手性碳納米管的宏量制備是解決這一科學問題的關鍵。鑒于此，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心先進材料與結構分析實驗室A05組研究員劉華平團隊發展了高精度凝膠色譜技術。該技術在原子尺度上對碳納米管手性結構進行高分辨識別和分離，實現了10余種單一手性碳納米管次毫克量級的制備（Sci. Adv. 2021, 7, eabe0084），為探究碳納米管電學輸運性能與手性結構的關系奠定了材料基礎。

　　近日，該團隊博士研究生蘇威（已畢業）和李瀟在劉華平的指導下，發展了堿性小分子調控技術精確調控碳納米管薄膜的沉積密度，并在此基礎上利用(6, 5), (7, 3), (7, 5), (7, 6), (8, 4), (9, 1), (9, 2), (9, 4), (10, 2), (10, 3) and (11, 1)等11種均勻密度的單一手性碳納米管薄膜構建晶體管，系統探測了不同手性碳納米管薄膜電學輸運性能。這些碳納米管包含兩種類型【類型I(mod (2n + m, 3) = 1)和類型II(mod (2n + m, 3) = 2)】、五個族【每個族，2n+m=常數,（n, m）為碳納米管手性指數】，因此測試所得碳納米管電學性能與手性結構的關系具有普適性。研究發現，即使直徑相同但手性角不同的碳納米管，其薄膜器件的開態電流或載流子遷移率可以達到一個數量級的差異。進一步分析表明，碳納米管薄膜的電學輸運性能具有很強的類型和族的手性結構依存性。對于同族碳納米管，隨著手性角的增加，I型碳納米管開態電流和遷移率增加，而II型碳納米管表現出相反的趨勢。理論分析發現，碳納米管薄膜晶體管電學性能的差異來源于它們不同的能帶結構。能帶結構上的差異導致碳納米管薄膜與金屬電極的接觸電阻、管間節電阻以及管內本征電阻等的不同。該工作為高性能碳基電子、光電子器件的設計和應用提供了重要的科學指導。

　　相關研究成果以Chirality-dependent electrical transport properties of carbon nanotubes obtained by experimental measurement為題，在線發表在《自然-通訊》（Nature Communications 2023, 14, 1672）上。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金和中科院的支持。

碳納米管薄膜電學輸運性能與手性結構的關系。（a）所用碳納米管溶液照片；（b）所用碳納米管手性結構分布；（c-d）不同手性碳納米管薄膜場效應晶體管開態飽和電流和電子遷移率與直徑關系；（e）碳納米管電學性能與手性結構的依存關系示意圖。