產(chǎn)綜研分離金屬性與半導(dǎo)體性碳納米管

　日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所日前提出了在單層碳納米管（SWCNT）中有選擇地分離金屬性SWCNT和半導(dǎo)體性SWCNT的方法。 

　　首先在雙氧水中對(duì)金屬性SWCNT和半導(dǎo)體性SWCNT混合而成的市售SWCNT（金屬性SWCNT占1/3）進(jìn)行熱處理，利用半導(dǎo)體性SWCNT先于金屬性SWCNT發(fā)生氧化和燃料的原理，成功地將金屬性SWCNT的含量濃縮到了80％。金屬性SWCNT有望作為透明電極材料取代ITO（銦錫氧化物）。另外，由于有望能夠?qū)WCNT結(jié)構(gòu)進(jìn)行有選擇地控制，因此將來(lái)通過(guò)有選擇地提取半導(dǎo)體性SWCNT，極有希望實(shí)現(xiàn)透明薄膜晶體管。 

　　SWCNT在結(jié)構(gòu)上就像是把苯環(huán)相連而成的六元環(huán)片（石墨薄片）卷成了卷一樣。根據(jù)不同的卷法，SWCNT就會(huì)變成金屬或半導(dǎo)體。剛剛合成之后的SWCNT就是金屬性與半導(dǎo)體性SWCNT的混合體，金屬性SWCNT與半導(dǎo)體性SWCNT的比例為36:67。 

　　產(chǎn)綜研此次使用的SWCNT是美國(guó)碳納米技術(shù)公司（Carbon Nanotechnologies）的市售產(chǎn)品，含有很多平均直徑約1nm的納米管。其制法為“HiPco（High Pressure Carbon Monoxide）工藝”，是利用鐵觸媒和高壓一氧化碳在高溫下合成而的，這種制法已經(jīng)成為產(chǎn)品的商標(biāo)。 

　　分離工藝只是將HiPco-SWCNT放入雙氧水中進(jìn)行熱處理。雙氧水通過(guò)兩個(gè)階段的反應(yīng)對(duì)SWCNT進(jìn)行氧化。第一階段的反應(yīng)是由SWCNT從雙氧水中獲得氧的氧化反應(yīng)，使SWCNT活性化。第二階段就是由過(guò)氧化氫產(chǎn)生活性氧，對(duì)活化的SWCNT進(jìn)行氧化和分解（燃燒），最后變成二氧化碳。 

　　在產(chǎn)綜研此次所做的實(shí)驗(yàn)中，在90℃環(huán)境下對(duì)HiPco-SWCNT進(jìn)行47分鐘的熱處理之后，有99％分解掉了。對(duì)剩余的1％SWCNT進(jìn)行分析的結(jié)果，金屬性SWCNT的比例提高到了80%左右。這表明半導(dǎo)體性SWCNT的反應(yīng)特性比金屬性SWCNT高，利用二者不同的反應(yīng)特性，可進(jìn)行有選擇的分離。過(guò)去普遍認(rèn)為金屬性SWCNT的反應(yīng)特性比半導(dǎo)體性SWCNT高，但此次的結(jié)果卻完全相反。對(duì)此，產(chǎn)綜研分析認(rèn)為“可能是因?yàn)樵谶^(guò)氧化氫奪取電子后半導(dǎo)體性SWCNT的電子結(jié)構(gòu)變化比金屬性SWCNT變化大的緣故。” 

　　首先是取代ITO，將來(lái)還有望用于TFT（薄膜晶體管） 
　這種金屬性SWCNT的用途，目前設(shè)想的是ITO替代材料。ITO是FPD（平板顯示器）等產(chǎn)品必不可少的透明電極材料，但銦是一種稀有金屬，業(yè)界一直擔(dān)心這種金屬幾年后有可能枯竭，為此正在研究各種替代材料。碳納米管就是其中極具潛力的替代材料之一。 

　　過(guò)去為透明電極所開發(fā)的SWCNT薄膜，其導(dǎo)電性之所以未能達(dá)到實(shí)用水平，其中一個(gè)重要原因就是金屬性SWCNT只有1/3左右?？梢韵胂竦氖牵偃缃饘傩許WCNT的比例能利用此次開發(fā)的方法得到提高的話，作為ITO替代材料將極具現(xiàn)實(shí)意義。今后，產(chǎn)綜研將在提高目前只有1％的收獲率的同時(shí)，還將把它作為透明電極進(jìn)行應(yīng)用研究，比如，如何將它制作薄膜等。 

　　在實(shí)驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這種SWCNT的反應(yīng)特性與結(jié)構(gòu)有可能是可控制的，因此將來(lái)有望通過(guò)改變反應(yīng)條件，有選擇地提取半導(dǎo)體性SWCNT。作為半導(dǎo)體性SWCNT的用途而被寄予厚望的是TFT（薄膜晶體管）。SWCNT雖說(shuō)具有更透明，更容易在塑料底板上進(jìn)行涂布成膜等優(yōu)點(diǎn)，但過(guò)去的SWCNT由于含有金屬性SWCNT，因此無(wú)法實(shí)現(xiàn)晶體管功能。此前，IBM等公司曾利用導(dǎo)電性的不同，開發(fā)出了用電把金屬性SWCNT全部燒掉的方法，但實(shí)際上卻很難對(duì)通電條件等進(jìn)行優(yōu)化。產(chǎn)綜研此次嘗試有可能為業(yè)界帶來(lái)一種可有效地提取半導(dǎo)體性SWCNT的方法。