单壁碳纳米管（SWCNT）因碳原子的排布方式不同可表现为金属性或半导体性，其中半导体性单壁碳纳米管具有纳米尺度、良好的结构稳定性、可调的带隙和高载流子迁移率，被认为是构建高性能场效应晶体管的理想沟道材料，并有望在新一代柔性电子器件中获得应用。然而金属性和半导体性SWCNT的结构差异细微，通常制备得到的碳纳米管中含有约三分之一金属性和约三分之二半导体性SWCNT，这种不同导电属性SWCNT的混合物难以用于高性能电子器件的构建。故高质量半导体性SWCNT的可控制备是当前碳纳米管研究的重点和难点。
我们设计并制备了一种橡树果状的部分碳包覆Co纳米颗粒催化剂，包覆碳层可以有效阻止催化剂颗粒团聚长大，部分暴露的Co纳米颗粒使得SWCNT仅以垂直模式形核生长。同时，采用嵌段共聚物自组装法制备的催化剂颗粒具有优异的结构均一性和单分散性。采用这种催化剂通过控制催化剂尺寸和形核模式实现了SWCNT的直径控制（平均直径1.7 nm，90%以上集中于1.6-1.9 nm范围内），进而采用氢气原位刻蚀去除化学反应活性较强的金属性SWCNT，获得了窄带隙分布（~0.08 eV）、高纯度（>95%）、高质量的半导体性SWCNT。以此为沟道材料，构建出高性能薄膜场效应晶体管器件，其开关比大于3×103，平均载流子迁移率达95.2 cm2v-1s-1（Fig. 1）。部分碳包覆金属复合结构催化剂的研制为SWCNT的可控生长提供了新思路；所得高质量、高纯度、窄带隙分布半导体性SWCNT为其在场效应晶体管等器件中的应用奠定了材料基础。相关结果发表在 Nat. Commun. 7 (2016) 11160。
Fig. 1: (a) TEM images of the Co nanoparticles partially coated with carbon, showing that the nanoparticles are monodispersed and uniform in size. The red arrows indicate Co nanoparticles partially coated by a carbon layer. (b) Schematic showing the mechanism of controlled growth of semiconducting SWCNTs with narrow band-gap distributions. (c) TEM image of the as-prepared SWCNTs. (d) Raman spectra of the SWCNTs measured with 532 nm laser. (e) A comparison of the electrical performance of our SWCNT thin-film transistors with those previously reported.
