[01922530]高纯度半导体碳纳米管材料

适宜转化地区/区域：全国

成果简介：

随着硅基摩尔定律接近物理极限，半导体性碳纳米管以其优异的物理化学性能成为后摩尔时代新型半导体材料的有力候选。碳纳米管具有超高的载流子迁移率和弹道输运特性保证碳基集成电路具有更高的性能和更低的功耗。研究表明碳管芯片相对于硅基芯片来说，运行速度能提高5-10倍，功耗能够降低5-10倍。理论计算表明基于碳纳米管构建的三维集成电路性能超越现有硅基电路1000倍，能够同时满足下一代高性能、低功耗集成电路的材料需求，因此在芯片领域具有巨大的应用前景。要实现碳纳米管制造先进集成电路和芯片，其关键在于高纯度半导体碳纳米管材料。近年来，利用共轭分子尤其是共轭聚合物通过非共价修饰实现单壁碳纳米管选择性分散的研究备受关注，在单壁碳纳米管分离领域所占比重迅速提升。其分离机理主要是源于共轭聚合物分子本身对不同结构的单壁碳纳米管的选择性包裹或吸附。影响选择性分散的主要因素包括范德华相互作用，π-π堆积和亲疏水相互作用。相比于水相体系，利用共轭聚合物在有机相体系下选择性分离手性碳纳米管更有优势，只需要简单的超声和离心过程就可以实现手性分离，分散时间较短，碳纳米管长度长，容易形成较高密度的碳纳米管网络，而且碳纳米管表面的聚合物分散剂相对容易去除，成膜质量相对较好。此外，由于共轭聚合物分子的分离体系在分离单壁碳纳米管的过程表现出高制备效率和加工性能，以及在微电子器件方面的良好表现，使得该体系有望成为最适合实现手性单壁碳纳米管宏量分离的主要候选。对于共轭聚合物分子的分离体系，聚合物的分子设计仍是单壁碳纳米管选择性分离中至关重要的问题。基于此，中国科学院苏州纳米所科研团队根据前期研究基础，结合分子模拟与结构设计，开发了用于半导体单壁碳纳米管的系列咔唑基共轭聚合物（PCz）分离体系。该成果已经授权多项国家发明专利以及PCT专利，是当前国际上首选的高纯度半导体单壁碳纳米管分离体系。该成果的核心竞争优势是基于共轭聚合物（PCz）分离体系可以实现对单壁碳纳米管的半导体分离纯度大于99.9999%，成为北京大学、清华大学、中国科学院金属所等国内碳基电子研究团队使用的主力单壁碳纳米管材料。目前，研究所已与国内最大碳管生产企业，合作开发半导体碳纳米管材料的批量制备与分离纯化试验线。