制備和描述完全平整的納米碳管

1、制備和描述平整的納米碳管:一種新的石墨烯納米帶模擬石墨烯納米帶(GNR是一種用于制備基于石墨烯并具有高遷移率的納米級(jí)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET最有希望的材料。在這里,我們報(bào)告一個(gè)高產(chǎn)制造高質(zhì)量的另一種類型的GNR 的模擬,完全扁平化的碳納米管(碳納米管,使用大口徑雙肢多壁碳納米管內(nèi)的曲調(diào),固相萃取(MWCNTs。透射電子顯微鏡(TEM觀察表明,肥肥的碳納米管具有寬度通常20輪輞和啞鈴形截面。在低偏壓電導(dǎo)測(cè)量孤立的扁平的碳納米管作為柵極電壓的函數(shù)表明,扁平的碳納米管顯示器ainbipolar傳導(dǎo)這是迪與不同的多壁碳納米管。估計(jì)的差距基于電導(dǎo)率的溫度依賴性的測(cè)量孤立的扁平的碳納米管是13.7毫電子伏特,

2、這可能是由改性的電子結(jié)構(gòu)由于平坦化引起的。石墨烯已被廣泛的研究由于其迷人的電氣,光學(xué)和力學(xué)性能的性質(zhì)。特別是,基于電子備的高載波石墨流動(dòng)性倍受關(guān)注。此外,石墨烯原子薄的結(jié)構(gòu)提供制造高速器件的超薄、短渠道的可能性沒(méi)有遭受不利的短溝道效應(yīng)?；谑┑碾娮游磥?lái)的主要問(wèn)題之一是事實(shí)石墨烯是零AP半導(dǎo)體,從而開(kāi)辟了一個(gè)相當(dāng)大的和明確的帶隙是關(guān)鍵對(duì)于這樣一個(gè)全新的電子建設(shè)成功的因素。打開(kāi)帶隙的幾種不同的方法被提出,如有到目前為止電子場(chǎng)致隙雙層石墨烯和對(duì)稱破缺的石墨烯晶格相互作用所產(chǎn)生的開(kāi)口石墨烯層和襯底之間的6。在石墨烯打開(kāi)帶隙的方法之一,石墨烯寬度限制到幾十納米,這是石墨烯納米帶的制備(GNR,所提供

3、的帶隙7,8最有前途的和直截了當(dāng)?shù)姆绞揭鹆岁P(guān)注。雖然許多研究已經(jīng)制作GNRs將如解壓縮的碳納米管,模板上生長(zhǎng)SiC和石墨烯的電子束光刻的寬度變窄,重現(xiàn)性和高效生產(chǎn)的GNRs仍然是困難的和重要的問(wèn)題912。在這里,我們報(bào)告一個(gè)新的和簡(jiǎn)單的方法生產(chǎn)高質(zhì)量的GNR的類似物,我們callfully扁平的碳納米管(FNT,使用的解決方案內(nèi)管的大直徑的多壁碳納米管(碳納米管的提取。生產(chǎn)機(jī)制的示意圖如圖1所示,提取大直徑的碳納米管形成自發(fā)平出發(fā)。FNT的結(jié)構(gòu)是幾乎相同的GNRs除了邊緣:光滑圓潤(rùn)的FNTS和有缺陷的和開(kāi)放的邊緣形狀的邊緣GNRs。的出發(fā)的第一實(shí)驗(yàn)鑒定由塞特爾和同事做時(shí),他們看的多壁碳納米管

4、通過(guò)TEM 。我們的方法的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單和容易的通過(guò)液相制備/超聲波高質(zhì)量的多壁碳納米管的提取。結(jié)果:樣品的制備及結(jié)構(gòu)表征。通過(guò)電弧放電合成的多壁碳納米管(奧德里奇公司,巴基管本實(shí)驗(yàn)中使用,無(wú)需進(jìn)一步純化。圖2a顯示TEM圖像的實(shí)驗(yàn)中采用的多壁碳納米管。的TEM圖像清楚地表明,多壁碳納米管樣品的干凈無(wú)如金屬納米顆粒雜質(zhì)。典型的多壁碳納米管的直徑和獲得高放大倍率的圖像層的數(shù)目分別為13 nm和5,分別。作為在TEM圖像清晰可見(jiàn),多壁碳納米管的壁平直具有高結(jié)晶度沒(méi)有任何問(wèn)題。為后文的論述,這高結(jié)晶度的多壁碳納米管的產(chǎn)生從本質(zhì)出發(fā)多壁碳納米管。對(duì)大直徑碳納米管的提取之前,蓋的存在多壁碳納米管的兩端分別在

5、973 K 30分鐘,干燥的空氣流下加熱樣品中除去。這種加熱導(dǎo)致通常40%的重量損失,以確保完全去除的多壁碳納米管的帽子。蓋的去除后,我們處理樣品的氯或含表面活性劑的水通常為1小時(shí)(補(bǔ)充圖S1,S2。圖2b顯示超聲波處理后的樣品的TEM圖像。作為圖像中清楚地說(shuō)明,典型的直徑和壁的樣本數(shù)從原始多壁碳納米管顯著不同;超聲破碎后分別為20 nm和2,3的典型的直徑和壁的樣品數(shù),分別。此外,我們可以找到一個(gè)扭曲的結(jié)構(gòu)出現(xiàn)在fig2b右下(箭頭所指。這種扭曲的結(jié)構(gòu)形成的多壁碳納米管的結(jié)構(gòu)是不相容的。事實(shí)上,這種扭曲的結(jié)構(gòu),從來(lái)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在原來(lái)的多壁碳納米管的樣品。所觀察到的差異顯著,TEM圖像表明,超聲誘

6、導(dǎo)不僅分散到溶液中的樣品也多壁碳納米管結(jié)構(gòu)的重大修改。圖3顯示了高倍率像差校正的TEM圖像和相應(yīng)的快速傅里葉變換(FFT超聲破碎后的樣品圖像。TEM圖像顯示兩套對(duì)比兩邊,這是類似的折疊邊的雙層石墨烯;邊緣被折疊石墨烯的情況下,石墨烯晶格條紋清晰可見(jiàn)。莫爾條紋清晰可見(jiàn),這源于一個(gè)石墨烯層的六邊形網(wǎng)絡(luò)疊加。FFT圖顯示四組六角形的圖案是由紅,綠標(biāo)志,粉紅色和黃色的圖中的六邊形。這四組六角形圖案意味著石墨烯層的數(shù)量至少是四,這是折疊的雙層石墨烯的一致。此外,兩對(duì)六邊形圖案(紅色和黃色,綠色和粉紅色有2毫米對(duì)稱,表明FNT的電學(xué)性質(zhì):碳納米管的變形可以改變他們的電子特性。探討出發(fā)的電子特性,提出了利用

7、電子束光刻的幾個(gè)個(gè)體出發(fā)電觸點(diǎn)。圖5中的插圖顯示所制備的FNT裝置典型的AFM圖像。電接觸用鈦/金在5和45 nm的厚度。本報(bào)告中的所有實(shí)驗(yàn)均在背柵FNTS在基板上具有90 nm厚的SiO 2柵介質(zhì)的高摻雜的硅。圖5顯示的為600與十不同的溫度范圍從9到300 K觀察到的轉(zhuǎn)移特性具有典型的雙極輸運(yùn)行為與狄拉克點(diǎn)測(cè)量通道長(zhǎng)度FNT FNT器件轉(zhuǎn)移特性的一個(gè)例子,顯示孔和在低的柵極電壓電子積累制度(213,13 V。應(yīng)當(dāng)指出的是,碳納米管是金屬并沒(méi)有柵極電壓的依賴性。此外,多壁碳納米管的裝置一個(gè)類似的幾何表示可以忽略不計(jì)的柵極電壓依賴性(補(bǔ)充圖S4,這清楚地表明,多壁碳納米管的金屬性。評(píng)價(jià)FNTS

8、運(yùn)輸間隙,我們研究了通過(guò)測(cè)量g min的熱激活能,最小電導(dǎo)觀察到狄拉克點(diǎn),在不同溫度下的。在高溫下,熱活化是主要的,和G的最小表示的是下面的公式:g min/ EXP(2e/2K B T?；罨蹺從G民阿倫尼烏斯圖13.7 MeV(補(bǔ)充圖S6,這是與所報(bào)告的值的電子16束光刻制備GNRs。運(yùn)輸間隙發(fā)現(xiàn)在制備光刻GNRs的局域態(tài)引起的無(wú)序結(jié)構(gòu)的GNRs邊緣16。相反,該出發(fā)擁有光滑的直邊,預(yù)示著所觀察到的傳輸間隙是由壓扁變形引起的固有特征出發(fā)。所觀察到的變形引起的縫隙與變形的雙壁碳納米管利用掃描隧道顯微鏡研究一致光譜。討論:以前的理論工作表明管狀結(jié)構(gòu)不太穩(wěn)定的扁平形狀時(shí),碳納米管的直徑變大。在這

9、種情況下,管狀結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)的亞穩(wěn)狀態(tài)18。由于管狀結(jié)構(gòu)是亞穩(wěn)的,外界的刺激可以導(dǎo)致從管狀的扁平結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。一個(gè)刺激如超聲波能夠觸發(fā)壓扁變形。這一結(jié)構(gòu)性變革的驅(qū)動(dòng)力是有吸引力的范德瓦爾斯力產(chǎn)生的碳納米管的管壁之間的。當(dāng)碳納米管的直徑是足夠大的,層與層之間的層間相互作用成為主導(dǎo)和產(chǎn)生的能量增益克服了由于在FNTS兩端彎曲形成的能量損失的相互吸引作用。最近的工作表明,最小直徑的誘導(dǎo)壓扁變形約為5 nm,這比在這項(xiàng)工作中使用的多壁碳納米管的直徑小得多的典型18,19。結(jié)果表明,超聲處理的過(guò)程,最終導(dǎo)致出發(fā)形成時(shí)從多壁碳納米管的直徑幾層碳納米管萃取。圖6給出了一個(gè)TEM圖像顯示幾層大直徑的碳納米管的形成過(guò)程從

10、多壁碳納米管。大直徑的碳納米管(12.1 nm的多壁碳納米管的管內(nèi)提取后得到的,和大直徑的碳納米管是自發(fā)平具有18.2 nm,比原始多壁碳納米管的外徑寬度。的FNT區(qū)和原始多壁碳納米管的外徑寬度之間的比率是1.6,這是P / 2的預(yù)期值一致;(1.57基于一個(gè)簡(jiǎn)單的假設(shè),多壁碳納米管的圓形截面成為FNT直雙層斷面計(jì)算此值。TEM圖像清楚地表明,通過(guò)大直徑的碳納米管的碳納米管萃取FNT的形成。為了進(jìn)一步探討幾層大直徑碳納米管萃取機(jī)理,通過(guò)透射電鏡的原始多壁碳納米管和同尺寸的FNTS寬徑進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。圖7是直方圖顯示的FNTS寬度分布與原始多壁碳納米管的直徑;我們有超過(guò)八十的多壁碳納米管和出發(fā)進(jìn)行

11、直方圖?？梢郧宄乜吹?出發(fā)的寬度大于多壁碳納米管的直徑,其中平均寬度FNTS和多壁碳納米管的平均直徑分別為21和17納米,分別。出發(fā)的平均寬度大于多壁碳納米管,也符合壓扁變形的平均直徑。的出發(fā)和多壁碳納米管的直徑分布寬度分布形狀彼此相似(每個(gè)輪廓的標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為8.9和10 nm,表明大直徑碳納米管萃取無(wú)論發(fā)生的原始多壁碳納米管的直徑。對(duì)多壁碳納米管殼滑動(dòng)前面的理論和實(shí)驗(yàn)研究表明,殼之間的摩擦力很低導(dǎo)致的滑動(dòng)運(yùn)動(dòng)的20個(gè)小的能量勢(shì)壘。由于小的能量屏障,滑動(dòng)可以引發(fā)的沖擊波作用下超聲處理形成,從而導(dǎo)致從多壁碳納米管外殼提取。這基本上是相同的機(jī)制,內(nèi)、外管的雙壁碳納米管,我們先前報(bào)道的21分離。

12、能量屏障可能取決于多壁碳納米管的結(jié)晶度的變化;當(dāng)墻的多壁碳納米管的不直,彎曲的結(jié)構(gòu),能量屏障是被。事實(shí)上,我們無(wú)法獲得任何出發(fā)的時(shí)候使用有效的多壁碳納米管甚至經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的超聲處理在溶液中的前體(柔甘南圖S7。這意味著高質(zhì)量碳納米管前驅(qū)體需要實(shí)現(xiàn)由液相萃取技術(shù)批量生產(chǎn)出發(fā)。而結(jié)構(gòu)與石墨烯出發(fā)共同特征(多層堆疊的石墨烯層的折邊為例,在結(jié)構(gòu)之間有本質(zhì)的區(qū)別出發(fā),乘折疊石墨烯22。多重折疊石墨烯結(jié)構(gòu)基本上是二維的,這是相反的出發(fā),折疊邊緣通常相隔10的一維結(jié)構(gòu),20 nm。比較多折疊石墨烯出發(fā),因此可以顯示從一個(gè)維度所產(chǎn)生的電子性質(zhì),電子結(jié)構(gòu)的修改從折疊邊緣應(yīng)該更重要。在結(jié)果部分討論出發(fā),裝置顯示傳輸

13、間隙。有兩個(gè)可能的原因出發(fā):隙兩側(cè)的FNTS和鄰近的石墨烯片層之間的相互作用的曲率。一種折疊石墨烯的理論計(jì)算結(jié)果表明,帶隙出現(xiàn)在幾個(gè)不同的相互取向的石墨烯23。這是由于帶隙打開(kāi)的折疊石墨烯上下層之間的p電子態(tài)的雜化。層間的相互作用取決于石墨層的取向。由于計(jì)算的限制,在層間相互作用的理論研究是有限的方向接近所謂的AA堆疊。高程度的曲率的邊緣引起的強(qiáng)變形碳鍵,從而導(dǎo)致價(jià)電荷改性24。出發(fā)的合成在這項(xiàng)工作中比較薄和具有曲率的兩邊,因此,整個(gè)出發(fā)的電子結(jié)構(gòu)可以通過(guò)曲率形成很大的影響。這種電子結(jié)構(gòu)的修改可能是為什么差距出現(xiàn)在這個(gè)系統(tǒng)的25個(gè)主要原因。此外,曲率導(dǎo)致變化的費(fèi)米點(diǎn)遠(yuǎn)離布里淵區(qū)k點(diǎn),改變其中的

14、低能量的電子的狀態(tài)26。這會(huì)導(dǎo)致第一范霍夫奇點(diǎn)的位置,也可以導(dǎo)致帶隙的變化?；贔NTS和電子性質(zhì)的精確結(jié)構(gòu)的相關(guān)性進(jìn)一步的研究將需要充分了解出發(fā)的電子性質(zhì)?？傊?我們已經(jīng)成功地開(kāi)發(fā)了基于一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案相分散過(guò)程批量規(guī)模出發(fā)的一種新的合成方法,在出發(fā)由自發(fā)的平坦的大直徑碳納米管形成幾層提取。扁平結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是通過(guò)TEM觀察出發(fā),用單一的孤立的FNT的FET器件的雙極特性的測(cè)量顯示。的溫度依賴性的G民為13.7 MeV的傳輸間隙,這可能是由改性的電子結(jié)構(gòu)由于平坦化引起的。本發(fā)明的方法可以擴(kuò)展到GNR的模擬材料的大規(guī)模生產(chǎn),這是未來(lái)電子和變形石墨烯系統(tǒng)的基礎(chǔ)研究可能是有用的。方法樣品的制備。多壁

15、碳納米管的樣品來(lái)自于奧德里奇公司,無(wú)需進(jìn)一步純化。對(duì)大直徑碳納米管的提取之前,關(guān)閉的邊緣在多壁碳納米管的兩端存在的被蝕刻掉,通過(guò)熱氧化反應(yīng)在973 K 30分鐘,干燥的空氣流下。氧化過(guò)程中的多壁碳納米管的重量損失的熱重分析(TGA TGA 的監(jiān)測(cè),如補(bǔ)充圖S8顯示。經(jīng)過(guò)氧化過(guò)程是典型的40%的重量損失,使多壁碳納米管的封閉蓋完全開(kāi)放。對(duì)大直徑的碳納米管的提取,多壁碳納米管的樣品(7毫克分散在二氯乙烷或H 2 O(20毫升每體積1%重量(w/v的膽酸鈉溶液(SC,99%西格瑪奧德里奇使用超聲波的超聲波發(fā)生器1小時(shí),在298 K得到的分散液離心1小時(shí)41000克收集上清液(該分散液圖片補(bǔ)充圖S9顯示。上清溶液與甲醇混合,并通過(guò)過(guò)濾收集沉淀的FNT。透射電鏡觀察:透射電鏡觀察使用一個(gè)高分辨率的場(chǎng)發(fā)射槍透射電鏡進(jìn)行在80 keV的操作在室溫和壓力10 26 Pa的原子分辨率的透射電鏡(圖3,使用JEOL 2200mco進(jìn)行擬合,首席執(zhí)行官的形象和探針的像差校正,在80 kV操作。樣品分散在DCE以微弱的超聲處理1小時(shí)超聲波超聲波發(fā)生器。然后將溶液下降到四網(wǎng)格或銅涂覆碳薄膜網(wǎng)格。樣品被加熱在200