Small Methods:高分子包覆选择性分离半导体性单壁碳管

单壁碳纳米管(SWCNTs)具有优异的力学、光学、电学和化学性质,是可能取代硅,成为构建下一代纳米电子器件的关键纳米材料。根据手性指数,单壁碳纳米管分为半导体性单壁碳纳米管和金属性单壁碳纳米管。混杂在半导体性单壁碳管中的金属性单壁碳管限制了其在电子器件中的高效应用。因此,有效分离出半导体性单壁碳管是实现单壁碳管在电子器件中实际应用的关键。高分子包覆技术通过共轭高分子对半导体性单壁碳管的选择性包覆实现分离。并且由于共轭高分子的易得性、过程的简易性和可重复性,高分子包覆技术受到了广泛关注。然而,高分子包覆技术分离过程的机理还没有阐明,共轭高分子的化学结构对于包覆选择性的影响还有待探索。

近日,荷兰格罗宁根大学泽尼克先进材料研究所的Maria Cristina dos Santos教授和Maria Antonietta Loi教授通过实验和计算对比研究了三种具有不同骨架结构的共轭高分子(P12CPDTBT, PF12和P3DDT)对不同直径(≈1 nm和≈1.5 nm)单壁碳纳米管的选择性机理。对于小直径的单壁碳管来说,P12CPDTBT是比PF12更好的分散剂;对于大直径的单壁碳管来说,P12CPDTBT和PF12都是较好的分散剂。然而它们的半导体性单壁碳管分散液都有金属性单壁碳管残留。P3DDT展现出了最好的选择性,对于大小直径的半导体性单壁碳管的产率分别达到了21%和15%。理论计算表明,三种共轭高分子对大小直径的半导体性单壁碳管的结合能都呈现P3DDT>P12CPDTBT> PF12的规律,与实验结果相吻合。

分析实验和理论计算结果,该文章得出以下结论:(1)吸附在碳管表面的烷基侧链能增强高分子与碳管的结合能;(2)高分子骨架越灵活,与碳管结合能越强;(3)半导体单壁碳管分散液的纯度决定于高分子与碳管结合的强度。这些结论说明不同来源的单壁碳管都需要特别设计的高分子来实现半导体性单壁碳管的有效分离。

相关文章发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201700335)上。