Ako rozlíšiť medzi kovovými a polovodičovými jednoduchými-stenovými uhlíkovými nanorúrkami?

Jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWCNT) nemajú všetky rovnaké vodivé vlastnosti. Uhlíkové nanorúrky vytvorené valcovaním jednej vrstvy grafénu môžu vykazovať buď kovové alebo polovodivé správanie. Kľúčom k tomuto rozdielu nie je jednoducho priemer alebo dĺžka trubice, ale chirálna štruktúra (chiralita) a chirálny index (n, m) zodpovedajúci metóde valcovania uhlíkovej nanorúrky.

Pre spoločnosti, ktoré pracujú na nanoelektronických zariadeniach, priehľadných vodivých filmoch, senzoroch, tranzistoroch s{0}}poľným efektom a vysokovýkonných{1}}vodivých kompozitných materiáloch, je objasnenie rozdielu medzi kovovými a polovodičovými jednostennými uhlíkovými nanorúrkami veľmi dôležité.

Jednoducho povedané, najprv si môžete zapamätať pravidlo úsudku: Keď (n−m) mod 3=0, jednostenná uhlíková nanotrubica patrí ku kovovému typu podľa ideálneho modelu prvého-rádu; keď (n−m) mod 3=1 alebo 2, patrí do polovodičového typu.

Tento klasický vzťah elektronickej štruktúry bol overený veľkým množstvom výskumu uhlíkových nanorúrok. Elektrické vlastnosti uhlíkových nanorúriek sú určené ich chiralitou v obvodovom smere. Teoreticky asi 1/3 sú kovové a 2/3 sú polovodivé.

I. Aký je najväčší rozdiel medzi kovovými a polovodičovými jednoduchými-stenovými uhlíkovými nanorúrkami?

Najväčší rozdiel medzi nimi je odlišná štruktúra elektronického pásma a tento rozdiel pochádza z chirálnej štruktúry jednostennej uhlíkovej nanorúrky.

Jednostennú uhlíkovú nanorúrku možno považovať za valcovú štruktúru vytvorenú valcovaním vrstvy grafénu v určitom smere. Rôzne smery valcovania grafénu poskytujú rôzne (n, m) chirálne indexy.

Inými slovami: Smer valcovania grafénu → Rozdielny chirálny index → ​​Odlišná štruktúra pásu → Kovové alebo polovodivé.

Skorý experimentálny výskum jednostenných uhlíkových nanorúriek už dokázal, že ich elektronické vlastnosti súvisia so smerom usporiadania a priemerom grafitovej štruktúry steny trubice.

Preto nie je možné priamo určiť, či je SWCNT kovový alebo polovodičový, pomocou vizuálnej kontroly, bežných SEM obrázkov alebo jednoducho „veľkosti priemeru trubice“.

II. Aký je chirálny index (n,m) jednostenných uhlíkových nanorúriek-?

Chirálny index (n, m) je najdôležitejším štrukturálnym parametrom na určenie elektronického typu jednostenných uhlíkových nanorúrok.

Na dvojrozmernej grafénovej mriežke možno dve celé čísla n a m použiť na opis smeru valcovania uhlíkovej nanorúrky.

Napríklad:

(6,5)

(7,5)

(9,9)

(10,0)

(12,6)

Zdá sa, že ide len o dve celé čísla, ale v skutočnosti zodpovedajú rôznym:

Priemery rúrok

Chirálne uhly

Metódy usporiadania atómov

Elektronické pásové štruktúry

Optické prechody

Elektrické transportné vlastnosti

Výskum ukazuje, že jednostenné uhlíkové nanorúrky môžu mať stovky rôznych štruktúr, z ktorých každá je definovaná chirálnym indexom (n, m) a zodpovedá rôznym optickým prechodom.

Základný vzťah medzi chirálnym indexom a elektronickým typom

Vyššie uvedená klasifikácia je klasickou metódou posudzovania ideálnej elektronickej štruktúry jednostenných uhlíkových nanorúriek.

III. Ako určiť kovový alebo polovodičový typ pomocou vzorcov?

Najpriamejšou metódou je výpočet zvyšku, keď (n−m) je delené 3.

Napríklad:

Príklad 1: (9,9)

9−9=0

0 mod 3=0

Preto:

(9,9) → Kovové

Toto je tiež typická kreslo-jednostenná{1}}uhlíková nanotrubica typu Kreslo.

Príklad 2: (10,0)

10−0=10

10 mod 3=1

Preto:

(10,0) → Polovodiče

Príklad 3: (10,7)

10−7=3

3 mod 3=0

Preto:

(10,7) → Patrí ku kovovému typu podľa ideálneho modelu prvého-poradia.

Príklad 4: (8,6)

8−6=2

2 mod 3=2

Preto:

(8,6) → Polovodičové.

Túto metódu posudzovania možno usporiadať do veľmi jednoduchej tabuľky:

Preto, ak dodávateľ môže poskytnúť jasné (n,m) údaje o distribúcii chirality, je možné posúdiť kovové a polovodičové typy zo štrukturálnej úrovne.

IV. Sú všetky jednotlivé-stenové uhlíkové nanorúrky s (n−m) mod 3=0 skutočne kovové?

Presne povedané, nie je možné jednoducho chápať všetky SWCNT s (n−m) mod 3=0 ako ideálne kovy s úplne nulovým pásmovým odstupom.

Toto je veľmi dôležitý bod v skutočnom obstarávaní a technickej komunikácii.

Pri klasickej tesnej{0}}aproximácii väzby (n−m) mod 3=0 zodpovedá metalicite; v prípade elektrónok iného ako -kreslo- však môžu efekty ako zakrivenie a π orbitálne miešanie otvoriť veľmi malú medzeru. Preto sú niektoré -takzvané „kovové“ chirálne elektrónky presnejšie klasifikované ako polo{6}}kovy alebo polovodiče s extrémne malou medzerou v pásme.

Nedávny výskum ACS tiež konkrétne poukazuje na to, že SWCNT s (n−m) mod 3=0 sú vo všeobecnosti klasifikované ako kovové, ale niektoré chirálne elektrónky iné ako n=m môžu mať teoreticky veľmi malé bandgapsy.

Preto v odborných technických dokumentoch:

Kovový SWCNT ≠ Vo všetkých prípadoch má striktne nulový bandgap.

Najmä v aplikáciách elektronických zariadení nemožno konečné správanie zariadenia posudzovať iba na základe jednoduchého pravidla mod 3.

V. Aké sú výkonnostné rozdiely medzi kovovými a polovodičovými jednostennými uhlíkovými nanorúrkami-?

Kovové SWCNT sú vhodnejšie na využitie ich vysokej vodivosti, zatiaľ čo polovodičové SWCNT sú vhodnejšie pre elektronické a optoelektronické zariadenia vyžadujúce laditeľný transport nosiča.

Elektronické vlastnosti SWCNT úzko súvisia s chiralitou a polovodičové uhlíkové nanorúrky sa už použili v-tranzistoroch s efektom poľa, logických zariadeniach, flexibilnej elektronike a iných smeroch.

VI. Dokáže Ramanova spektroskopia rozlíšiť medzi kovovými a polovodivými jednostennými uhlíkovými nanorúrkami-?

Na posúdenie možno použiť charakteristické píky v Ramanovej spektroskopii, ale Raman nemôže jednoducho prirovnať „pomer plochy píku“ k skutočnému podielu kovových a polovodičových typov vo vzorke.

Toto je jeden z najpozoruhodnejších experimentálnych problémov pri posudzovaní kovových a polovodičových jednostenných uhlíkových nanorúriek.

RBM (Radial Breathing Mode) v Ramanovej spektroskopii je vysoko citlivý na priemer uhlíkových nanorúrok a chiralitu, takže poloha vrcholu RBM a podmienky rezonancie môžu pomôcť pri identifikácii špecifických (n, m) štruktúr.

Výskum ukázal, že Raman môže byť použitý na chirálnu identifikáciu kovových SWCNT a veľmi vysoké energetické rozlíšenie je možné získať prostredníctvom elektronických Ramanových rozptylových charakteristík.

Avšak,:

Nemožno jednoducho predpokladať, že „vrcholová intenzita kovového RBM ÷ všetky maximálne intenzity RBM=obsah kovu“.

Dôvodom je, že Ramanove signály sú ovplyvnené:

Vlnová dĺžka lasera

Podmienky rezonancie

Priemer uhlíkovej trubice

Chiralita

Prierez Ramanovho rozptylu-

Ukážkové prostredie

a ďalšie faktory.

Výskum jasne poukazuje na to, že použitie obmedzeného počtu laserových línií na priame odhadnutie pomeru kovov prostredníctvom počtu vrcholov RBM alebo integrovanej intenzity môže spôsobiť odchýlky.

VII. Ako využiť vrcholy RBM na pomoc pri posudzovaní typu single-stenovej uhlíkovej nanotrubice?

RBM je jedným z veľmi dôležitých štrukturálnych odtlačkov pri Ramanovej charakterizácii jednostenných uhlíkových nanorúrok, ale analýzu je potrebné skombinovať s laserovou energiou a chirálnou identifikáciou.

Vrcholy RBM sú zvyčajne umiestnené v oblasti nižšieho vlnového čísla a ich polohy vrcholov majú zrejmý vzťah s priemerom uhlíkových nanorúrok.

Bežný približný vzťah možno zapísať ako:

ωRBM ≈ A/d + B

kde:

ωRBM: poloha vrcholu RBM

d: priemer SWCNT

A, B: Parametre súvisiace s konkrétnym modelom a prostredím

Preto Raman nie je jednoducho „videnie vrcholu vám povie, či je kovový alebo polovodičový“.

Spoľahlivejší prístup je:

Vrchol RBM → Odhadnite priemer trubice → Skombinujte s podmienkami rezonancie → Vykonajte (n,m) identifikáciu → Posúďte elektronický typ na základe (n−m) mod 3.

To je tiež dôvod, prečo profesionálni dodávatelia SWCNT musia mať relatívne kompletné schopnosti štrukturálnej charakterizácie.

VIII. Dokáže UV-vis{2}}NIR spektroskopia rozlíšiť medzi kovovými a polovodičovými typmi?

Áno, a UV-vis{1}}NIR spektroskopia je jednou z dôležitých metód analýzy zloženia kovových/polovodičových SWCNT.

Polovodivé uhlíkové nanorúrky s jednou stenou{0}} majú zrejmé elektronické prechody, ako sú bežné charakteristiky S11, S22; kovové SWCNT majú rôzne charakteristiky optického prechodu.

Existujúci výskum ACS použil UV-vis{1}}NIR absorpčnú spektroskopiu na analýzu pomeru kovových a polovodičových SWCNT a uviedol kvantitatívne výsledky pre kovové -obohatené a polovodičové- vzorky. Napríklad obsah kovov v niektorých separovaných vzorkách môže dosiahnuť 99,5 % a obsah polovodičov môže dosiahnuť 98,9 %.

Tieto čísla sú však experimentálnymi výsledkami konkrétnych výskumných vzoriek, nie univerzálnymi ukazovateľmi, ktoré môžu dosiahnuť všetky produkty SWCNT.

Preto pri obstarávaní, ak dodávateľ tvrdí:

"Metallic SWCNT purity >99%"

Najlepšie je opýtať sa ďalej:

Aká je metóda testovania?

Je to testovanie obsahu kovov alebo čistoty špecifickej chirality?

Je to jediná (n, m) alebo kovová zmes?

Aký laserový/spektrálny rozsah sa používa?

Existujú nezávislé charakterizačné údaje?

IX. Môže elektrónová difrakcia priamo určiť kovový/polovodičový typ jednostenných uhlíkových nanorúriek?

Elektrónová difrakcia môže poskytnúť štruktúrny základ pre posúdenie kovového / polovodičového typu analýzou kryštálovej štruktúry a (n, m) chirálneho indexu jednotlivých SWCNT.

Ide o jednu z dôležitých metód na štúdium štruktúry jednotlivých uhlíkových nanorúriek.

Výskum ACS použil elektrónovú difrakciu na analýzu distribúcie chirality SWCNT a určenie pomeru kovov vo vzorkách na základe jednotlivých uhlíkových nanorúrok. Napríklad v jednej výskumnej vzorke analýza 166 SWCNT poskytla kovový pomer približne 24 %; ďalšia skupina vzoriek bola asi 33 %.

To tiež ilustruje dôležitý bod:

Teoretická "asi 1/3 kovová, asi 2/3 polovodivá" je štrukturálny štatistický základ a neznamená, že akákoľvek skutočne pestovaná vzorka si striktne udrží 33,3 %/66,7 %.

Skutočný pomer je ovplyvnený:

Katalyzátor

Teplota rastu

Zdroj uhlíka

Kinetika rastu

Rozdelenie priemeru rúrok

Selektivita chirality

a ďalšie faktory.

X. Prečo sa cena jednostenných uhlíkových nanorúriek môže tak výrazne líšiť?

Cenové rozdiely SWCNT často súvisia s čistotou, stupňom kontroly chirality, pomerom kov/polovodič, distribúciou priemeru trubice a úrovňou po{0}}úpravy, nielen s „obsahom uhlíkových nanorúrok“.

Bežné zmiešané SWCNT a vysoko čisté polovodičové SWCNT{0} nie sú tou istou logikou obstarávania.

Dôležitým cieľom v tejto oblasti bolo vždy dosiahnutie jednotných SWCNT s dobre{0}}definovaným priemerom, dĺžkou, chiralitou a elektronickými vlastnosťami. Cesty výskumu zahŕňajú selektívny rast a separáciu po-syntéze.

XI. Ako si vybrať medzi kovovými a polovodičovými jednoduchými-stenovými uhlíkovými nanorúrkami?

Ak je vašou hlavnou potrebou vodivosť, zvyčajne sa musíte zamerať na pomer kovov; ak sú cieľom tranzistory alebo polovodičové zariadenia, musíte sa zamerať na čistotu polovodičov a špecifickú chiralitu.

Predbežný rozsudok možno vydať podľa žiadosti:

Treba zdôrazniť, že „kovový je lepší“ alebo „polovodičový je lepší“ nie sú presné spôsoby hodnotenia materiálov.

Správna voľba by mala byť určená koncovým zariadením a materiálovým systémom.

XII. Prečo potrebujú výrobcovia jednostenných uhlíkových nanotrubíc kontrolovať chirálnosť?

Pretože v prípade špičkových{0}}aplikácií SWCNT je riadenie chirality vlastne riadením elektronických a optických vlastností konečného materiálu.

Medzi hlavné súčasné technické cesty patria:

Selektívny rast

Kontrola chirality

Oddelenie po-syntéze

Kovové/polovodičové oddelenie

Jedno{0}}chirálne oddelenie

Pre bežné kompozitné materiály nemusí byť potrebná veľmi vysoká chirálna čistota.

Ale pre:

CNT-FET

Flexibilné tranzistory

Nanolaserové logické zariadenia

Fotodetektory

V blízkosti-infračervených optoelektronických zariadení

Senzory s jednou molekulou

Význam kontroly chirality výrazne vzrastie.

XIII. Ako sa Shandong Tanfeng ako jediný-výrobca uhlíkových nanotrubíc zhoduje s rôznymi aplikáciami?

Jednostenný vývoj produktu Shandong Tanfeng z uhlíkových nanorúriek môže vytvoriť zodpovedajúci vzťah okolo „koncových aplikácií{1}}elektronického typu-koncovej aplikácie“ namiesto poskytovania jednotnej špecifikácie produktu SWCNT.

Pre zákazníkov, ktorí si potrebujú kúpiť jedno{0}}stenové uhlíkové nanorúrky, sa komunikácia môže zamerať na nasledujúce parametre:

1. Základná štruktúra jednostennej uhlíkovej nanotrubice

Zahŕňa:

Priemer trubice

Dĺžka

Pomer strán

Špecifická plocha povrchu

Čistota uhlíka

Kovové nečistoty

Obsah amorfného uhlíka

2. Elektronický typ

Podľa potrieb zákazníckych aplikácií je možné venovať ďalšiu pozornosť:

Kovové SWCNT

Polovodičové SWCNT

SWCNT obohatené o kovové{0}}

SWCNT obohatený o polovodič{0}}

3. Informácie o chirality

V prípade špičkových{0}}aplikácií možno venovať ďalšiu pozornosť:

(n,m) rozdelenie

Chirálny uhol

Rozdelenie priemeru rúrok

Špecifický stupeň obohatenia chirality

4. Spektrálna charakterizácia

Podľa potrieb produktu a aplikácie je možné venovať pozornosť:

Raman

RBM

G/D pomer

UV-vis-NIR

PL

Iná štrukturálna/kompozičná charakteristika

Je to dôležité najmä pre výskumné a vývojové a výrobné podniky, ktoré potrebujú nakupovať vysoko{0}}jednostenné{1}}uhlíkové nanorúrky, polovodivé jedno{2}}uhlíkové nanorúrky a kovové jednostenné uhlíkové nanorúrky-.

XIV. Pre aké aplikácie sú produkty Shandong Tanfeng s jednou-stenovou uhlíkovou nanorúrkou vhodnejšie?

Shandong Tanfeng môže zákazníkom poskytnúť prispôsobenie produktov pre elektronické materiály, vodivé materiály a vysokovýkonné{0}}kompozitné materiály podľa rôznych typov elektroniky SWCNT a konštrukčných požiadaviek.

Elektronické zariadenia

Pre zákazníkov, ktorí potrebujú polovodičové SWCNT, môže byť prispôsobenie špecifikácií vykonané okolo polovodičového pomeru, distribúcie chirality a optických charakteristík.

Vodivé filmy

Pri aplikáciách, ako sú priehľadné vodivé filmy, sa možno zamerať na pomer kovov, schopnosť tvorby siete a odolnosť filmu.

Senzory

SWCNT sú relatívne citlivé na povrchovú adsorpciu a zmeny lokálneho náboja a môžu sa použiť na rôzne typy vývoja materiálu senzorov.

Vodivé kompozitné materiály

Ak je cieľom aplikácie vytvoriť vodivú sieť s nízkym{0}}adíciami, je potrebné komplexne zvážiť dĺžku SWCNT, priemer, čistotu, stav disperzie a typ elektroniky.

Ako jediný{0}}výrobca uhlíkových nanorúriek so stenami môže Shandong Tanfeng zladiť špecifikácie z dvoch dimenzií-ukazovateľov štruktúry a charakterizácie produktu-podľa konkrétnych potrieb zákazníckych aplikácií, a nie jednoducho predávať pod tromi slovami „SWCNT“.

XV. Bežné otázky: Kovové a polovodivé jednoduché-stenové uhlíkové nanorúrky

1. Prečo majú jednostenné uhlíkové nanorúrky kovové a polovodičové typy?

Pretože rôzne smery valcovania grafénu vytvárajú rôzne chirálne štruktúry a chirálne štruktúry určujú povolené úrovne elektronickej energie a pásové štruktúry.

2. Ako posúdiť typ SWCNT prostredníctvom (n,m)?

Vypočítajte (n−m) mod 3 pre klasický rozsudok prvého-poradia.

Zvyšok 0 → Kovové;
Zvyšok 1 alebo 2 → Polovodičové.

3. Aký typ je (6,5) jednostenná-uhlíková nanorúrka?

(6−5)=1, preto (6,5) patrí do polovodičového SWCNT.

4. Aký typ je (9,9)?

(9−9)=0, preto (9,9) je typická kovová kreslo SWCNT.

5. Dokáže Raman presne zmerať obsah kovov?

Raman sa môže použiť na charakterizáciu kovového/polovodičového typu a chirality, ale presný pomer kovov nie je možné priamo získať jednoducho prostredníctvom jedinej plochy RBM alebo čísla píku. Rezonančné podmienky, vlnová dĺžka lasera a prierezy Ramanovho rozptylu- rôznych chiralít ovplyvňujú výsledky.

6. Sú kovové SWCNT nevyhnutne vodivejšie ako polovodičové SWCNT?

Z definície elektronickej štruktúry vyplýva, že kovový typ má takmer {0}nulovú charakteristiku pásma, ale vodivosť skutočných materiálov je ovplyvnená aj defektmi, kontaktmi, dopingom náboja, medzi-trubkovými kontaktmi a štruktúrou siete.

7. Aký je teoretický pomer kovových a polovodičových typov v jednostenných uhlíkových nanorúrkách?

Podľa štatistického modelu ideálnej náhodnej distribúcie chirality je asi z 1/3 kovová a z 2/3 polovodivá, ale skutočné vypestované vzorky sa môžu od tohto pomeru výrazne líšiť.

Posudzovanie jednej{0}}stenovej uhlíkovej nanotrubice typu: Najprv sa pozrite na (n,m), potom sa pozrite na údaje o charakterizácii

Na rozlíšenie medzi kovovými a polovodičovými jednostennými uhlíkovými nanorúrkami nie je najdôležitejší vzhľad, ale chirálna štruktúra a výsledky elektronickej charakterizácie.

Najzákladnejšiu logiku úsudku možno zhrnúť takto: (n,m) chirálny index → ​​(n−m) mod 3 → Kovové/polovodičové → Ramanovo, UV-vis{2}}NIR a iné experimentálne overenie.

Pravidlo (n,m) je už veľmi praktické, ak robíte iba základné štrukturálne posúdenie. Ak vstupujete do skutočného obstarávania produktu, potom sa nemôžete len pozrieť na teoretické vzorce, ale musíte sa ďalej zamerať na:

Čistota jednostenných uhlíkových nanorúrok

Pomer kov/polovodič

Rozdelenie priemeru rúrok

Rozloženie dĺžky

Distribúcia chirality

Ramanove údaje

Údaje UV-vis{1}}NIR

PL údaje

Kovové nečistoty

Konzistencia dávky

Najmä v prípade elektronických -súborov SWCNT je „či ide o jednostenné-steny“ iba prvým krokom. „Ktorá chiralita, ktorý typ elektroniky a aká čistota“ skutočne určuje jej aplikačnú hodnotu.

Ako jediný-výrobca uhlíkových nanorúriek môže Shandong Tanfeng poskytnúť podporu pri výbere od základných jednostenných uhlíkových nanorúriek až po špecifické produkty elektronického typu týkajúce sa kovových, polovodičových produktov a produktov SWCNT s rôznymi štrukturálnymi parametrami a kombinovať Ramanove, spektroskopické a iné charakterizačné údaje, aby pomohla zákazníkom posúdiť, či je produkt vhodný pre cieľovú aplikáciu.

Pre zákazníkov zo zahraničia, ktorí hľadajú jednostenné uhlíkové nanorúrky, polovodičové SWCNT, kovové SWCNT a SWCNT s vysokou{1}}čistotou, je namiesto jednoduchého porovnávania cien lepšie najprv potvrdiť, či elektronický typ, distribúcia chirality a údaje o charakterizácii skutočne spĺňajú požiadavky aplikácie.