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場效應晶體管(FET最有希望的材料。在這里,我們報告一個高產制造高質量的另一種類型的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的曲調,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。在低偏壓電導測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傳導這是迪與不同的多壁碳納米管。估計的差距基于電導率的溫度依賴性的測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構由于平坦化引起的。石墨烯已被廣泛的研究由于其迷人的電氣,光學和力學性能的性質。特別是,基于電子備的高載波石墨流動性倍受關注。此外,石墨烯原子薄的結構提供制造高速器件的超薄、短渠道的可能性沒有遭受不利的短溝道效應?；谑┑碾娮游磥淼闹饕獑栴}之一是事實石墨烯是零AP半導體,從而開辟了一個相當大的和明確的帶隙是關鍵對于這樣一個全新的電子建設成功的因素。打開帶隙的幾種不同的方法被提出,如有到目前為止電子場致隙雙層石墨烯和對稱破缺的石墨烯晶格相互作用所產生的開口石墨烯層和襯底之間的6。在石墨烯打開帶隙的方法之一,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?shù)姆绞揭鹆岁P注。雖然許多研究已經制作GNRs將如解壓縮的碳納米管,模板上生長SiC和石墨烯的電子束光刻的寬度變窄,重現(xiàn)性和高效生產的GNRs仍然是困難的和重要的問題912。在這里,我們報告一個新的和簡單的方法生產高質量的GNR的類似物,我們callfully扁平的碳納米管(FNT,使用的解決方案內管的大直徑的多壁碳納米管(碳納米管的提取。生產機制的示意圖如圖1所示,提取大直徑的碳納米管形成自發(fā)平出發(fā)。FNT的結構是幾乎相同的GNRs除了邊緣:光滑圓潤的FNTS和有缺陷的和開放的邊緣形狀的邊緣GNRs。的出發(fā)的第一實驗鑒定由塞特爾和同事做時,他們看的多壁碳納米管

4、通過TEM 。我們的方法的優(yōu)點是簡單和容易的通過液相制備/超聲波高質量的多壁碳納米管的提取。結果:樣品的制備及結構表征。通過電弧放電合成的多壁碳納米管(奧德里奇公司,巴基管本實驗中使用,無需進一步純化。圖2a顯示TEM圖像的實驗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如金屬納米顆粒雜質。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,多壁碳納米管的壁平直具有高結晶度沒有任何問題。為后文的論述,這高結晶度的多壁碳納米管的產生從本質出發(fā)多壁碳納米管。對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(補充圖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,我們可以找到一個扭曲的結構出現(xiàn)在fig2b右下(箭頭所指。這種扭曲的結構形成的多壁碳納米管的結構是不相容的。事實上,這種扭曲的結構,從來沒有發(fā)現(xiàn)在原來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、導不僅分散到溶液中的樣品也多壁碳納米管結構的重大修改。圖3顯示了高倍率像差校正的TEM圖像和相應的快速傅里葉變換(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。莫爾條紋清晰可見,這源于一個石墨烯層的六邊形網絡疊加。FFT圖顯示四組六角形的圖案是由紅,綠標志,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,兩對六邊形圖案(紅色和黃色,綠色和粉紅色有2毫米對稱,表明FNT的電學性質: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、電子束光刻的幾個個體出發(fā)電觸點。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。本報告中的所有實驗均在背柵FNTS在基板上具有90 nm厚的SiO 2柵介質的高摻雜的硅。圖5顯示的為600與十不同的溫度范圍從9到300 K觀察到的轉移特性具有典型的雙極輸運行為與狄拉克點測量通道長度FNT FNT器件轉移特性的一個例子,顯示孔和在低的柵極電壓電子積累制度(213,13 V。應當指出的是,碳納米管是金屬并沒有柵極電壓的依賴性。此外,多壁碳納米管的裝置一個類似的幾何表示可以忽略不計的柵極電壓依賴性(補充圖S4,這清楚地表明,多壁碳納米管的金屬性。評價FNTS

8、運輸間隙,我們研究了通過測量g min的熱激活能,最小電導觀察到狄拉克點,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(補充圖S6,這是與所報告的值的電子16束光刻制備GNRs。運輸間隙發(fā)現(xiàn)在制備光刻GNRs的局域態(tài)引起的無序結構的GNRs邊緣16。相反,該出發(fā)擁有光滑的直邊,預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構不太穩(wěn)定的扁平形狀時,碳納米管的直徑變大。在這

9、種情況下,管狀結構對應的亞穩(wěn)狀態(tài)18。由于管狀結構是亞穩(wěn)的,外界的刺激可以導致從管狀的扁平結構轉變。一個刺激如超聲波能夠觸發(fā)壓扁變形。這一結構性變革的驅動力是有吸引力的范德瓦爾斯力產生的碳納米管的管壁之間的。當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和產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,最小直徑的誘導壓扁變形約為5 nm,這比在這項工作中使用的多壁碳納米管的直徑小得多的典型18,19。結果表明,超聲處理的過程,最終導致出發(fā)形成時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TEM圖像顯示幾層大直徑的碳納米管的形成過程從

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的預期值一致;(1.57基于一個簡單的假設,多壁碳納米管的圓形截面成為FNT直雙層斷面計算此值。TEM圖像清楚地表明,通過大直徑的碳納米管的碳納米管萃取FNT的形成。為了進一步探討幾層大直徑碳納米管萃取機理,通過透射電鏡的原始多壁碳納米管和同尺寸的FNTS寬徑進行統(tǒng)計分析。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;我們有超過八十的多壁碳納米管和出發(fā)進行

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(每個輪廓的標準偏差分別為8.9和10 nm,表明大直徑碳納米管萃取無論發(fā)生的原始多壁碳納米管的直徑。對多壁碳納米管殼滑動前面的理論和實驗研究表明,殼之間的摩擦力很低導致的滑動運動的20個小的能量勢壘。由于小的能量屏障,滑動可以引發(fā)的沖擊波作用下超聲處理形成,從而導致從多壁碳納米管外殼提取。這基本上是相同的機制,內、外管的雙壁碳納米管,我們先前報道的21分離。

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

13、間隙。有兩個可能的原因出發(fā):隙兩側的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算結果表明,帶隙出現(xiàn)在幾個不同的相互取向的石墨烯23。這是由于帶隙打開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變形碳鍵,從而導致價電荷改性24。出發(fā)的合成在這項工作中比較薄和具有曲率的兩邊,因此,整個出發(fā)的電子結構可以通過曲率形成很大的影響。這種電子結構的修改可能是為什么差距出現(xiàn)在這個系統(tǒng)的25個主要原因。此外,曲率導致變化的費米點遠離布里淵區(qū)k點,改變其中的

14、低能量的電子的狀態(tài)26。這會導致第一范霍夫奇點的位置,也可以導致帶隙的變化?；贔NTS和電子性質的精確結構的相關性進一步的研究將需要充分了解出發(fā)的電子性質?？傊?我們已經成功地開發(fā)了基于一個簡單的解決方案相分散過程批量規(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。扁平結構的特點是通過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構由于平坦化引起的。本發(fā)明的方法可以擴展到GNR的模擬材料的大規(guī)模生產,這是未來電子和變形石墨烯系統(tǒng)的基礎研究可能是有用的。方法樣品的制備。多壁

15、碳納米管的樣品來自于奧德里奇公司,無需進一步純化。對大直徑碳納米管的提取之前,關閉的邊緣在多壁碳納米管的兩端存在的被蝕刻掉,通過熱氧化反應在973 K 30分鐘,干燥的空氣流下。氧化過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,如補充圖S8顯示。經過氧化過程是典型的40%的重量損失,使多壁碳納米管的封閉蓋完全開放。對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,在298 K得到的分散液離心1小時41000克收集上清液(該分散液圖片補充圖S9顯示。上清溶液與甲醇混合,并通過過濾收集沉淀的FNT。透射電鏡觀察:透射電鏡觀察使用一個高分辨率的場發(fā)射槍透射電鏡進行在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小時超聲波超聲波發(fā)生器。然后將溶液下降到四網格或銅涂覆碳薄膜網格。樣品被加熱在200