單壁碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，在柔性和透明電子器件領(lǐng)域可作為透明電極材料或半導(dǎo)體溝道材料，因此被認(rèn)為是最具競(jìng)爭(zhēng)力的候選材料之一。開發(fā)出可高效、宏量制備高質(zhì)量碳納米管薄膜的方法已成為該材料走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵難題。首先，迄今制備的單壁碳納米管薄膜的尺寸通常為厘米量級(jí)，批次制備方式不能滿足規(guī)模化應(yīng)用要求。其次，由于在碳納米管薄膜制備工藝過程中通常會(huì)引入雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，使得薄膜的光電性能劣化，遠(yuǎn)低于理論預(yù)測(cè)值。因此，發(fā)展一種高效、宏量制備高質(zhì)量單壁碳納米管薄膜的制備方法具有重要價(jià)值。
近日，中國科學(xué)院金屬研究所先進(jìn)炭材料研究部孫東明團(tuán)隊(duì)與劉暢團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種連續(xù)合成、沉積和轉(zhuǎn)移單壁碳納米管薄膜的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了米級(jí)尺寸高質(zhì)量單壁碳納米管薄膜的連續(xù)制備，并基于此構(gòu)建出高性能的全碳薄膜晶體管（TFT）和集成電路（IC）器件。研究人員采用浮動(dòng)催化劑化學(xué)氣相沉積方法在反應(yīng)爐的高溫區(qū)域連續(xù)生長單壁碳納米管，然后通過氣相過濾和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)在室溫下收集所制備的碳納米管，并通過卷到卷轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移至柔性PET基底上，獲得了長度超過2m的單壁碳納米管薄膜。對(duì)該過濾沉積過程進(jìn)行流體仿真，其結(jié)果表明當(dāng)調(diào)節(jié)出氣口速度使抽濾過程處于平衡狀態(tài)時(shí)，該過濾系統(tǒng)中的氣流呈現(xiàn)出均勻的氣流速度分布（圖1）。通過該方法制備的單壁碳納米管薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能和分布均勻性，在550納米波長下其透光率為90％，方塊電阻為65Ω/□（圖2）。研究人員利用所制備的碳納米管薄膜構(gòu)筑了高性能全碳柔性透明晶體管（圖3）以及異或門、101階環(huán)形振蕩器等柔性全碳集成電路（圖4）。
圖1 米級(jí)單壁碳納米管薄膜的制備。（a）碳納米管連續(xù)合成、沉積和轉(zhuǎn)移過程示意圖。（b）實(shí)驗(yàn)裝置圖。（c）柔性PET襯底上的單壁碳納米管薄膜。（d）一卷單壁碳納米管薄膜。（e）氣體速度的仿真曲線。（f）平衡狀態(tài)的氣流分布仿真結(jié)果。
圖2 單壁碳納米管薄膜光電性能表征。（a）透光率面分布表征。（b）方塊電阻面分布表征。（c）薄膜性能的對(duì)比結(jié)果。
圖3 大面積柔性全碳器件。（a）柔性透明全碳器件照片。（b）器件光學(xué)透過率曲線。（c）全碳TFT結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4 全碳邏輯門和環(huán)形振蕩器。（a）異或門。（b）異或門光學(xué)照片。（c）異或門輸入輸出特性曲線。（d）101階環(huán)形振蕩器光學(xué)照片。（e）101階環(huán)形振蕩器輸入輸出曲線。
這是研究人員首次開發(fā)出米級(jí)長度的單壁碳納米管薄膜的連續(xù)生長、沉積和轉(zhuǎn)移技術(shù)，所制備的單壁碳納米管薄膜及其晶體管具有優(yōu)異的光電性能，為未來開發(fā)基于單壁碳納米管薄膜的大面積、柔性和透明電子器件奠定了材料基礎(chǔ)。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、中國博士后科學(xué)基金、中科院裝備研制計(jì)劃、遼寧百千萬人才計(jì)劃、青年千人計(jì)劃等的支持。單壁碳納米管薄膜的連續(xù)制備技術(shù)已獲得中國發(fā)明專利（ZL201410486883.1），相關(guān)論文于近日在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）在線發(fā)表。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201802057
