[发明专利]用于纯化半导体单壁碳纳米管的方法

说明书

一种两步sc‑SWCNT富集方法涉及基于使用共轭聚合物对半导体SWCNT进行选择性分散和提取的第一步骤，继而是基于吸附过程的第二步骤，其中使所述第一步骤的产物暴露于无机吸收介质以主要选择性地结合金属SWCNT，以使得仍分散在溶液中之物进一步富集半导体SWCNT。所述方法可容易按比例缩放用于具有在例如约0.6nm至2.2nm范围的平均直径的大直径半导体单壁碳纳米管(sc‑SWCNT)的富集。所述第一步骤以高产率产生具有中等sc纯度(98％)的富集的sc‑SWCNT分散液，或以低产率产生具有高纯度(99％和更高)的富集的sc‑SWCNT分散液。所述第二步骤不仅可以提高所述具有中等纯度的由聚合物富集的sc‑SWCNT的纯度，而且还可以将所述高度纯化的样品进一步提升到超纯的水平。因此，这种两步混合方法提供了具有超高纯度的sc‑SWCNT材料以及高sc纯度(例如大于99％)和高产率(高达约20％或更高)这两者。

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年8月20日提交的美国专利临时专利申请USSN61/867,630的权益，该美国专利临时专利申请的全部内容以引用的方式并入本文。

技术领域

本申请涉及碳纳米管。

背景技术

一类重要的碳纳米管是单壁碳纳米管(SWCNT)。它们一般被生产成含有金属纳米管和半导体纳米管这两者的整体样品，所述纳米管具有以平均直径为中心的手性分布。可以使用多种方法生产将在手性分布、直径范围、半导体/金属(sc/m)含量以及平均长度方面不同的SWCNT。举例来说，HiPco SWCNT和CoMoCat SWCNT具有相对更小的直径(0.6nm-1.3nm)，而电弧放电SWCNT、激光(激光烧蚀)SWCNT以及等离子体SWCNT具有相对更大的直径(1.0nm-2.2nm)。虽然高达95％的sc-SWCNT含量可以使用诸如CoMoCat的技术产生，但是大部分如此制备的SWCNT样品具有小于70％的sc含量。对于诸如薄膜晶体管(TFT)的许多应用来说，需要高于99％的sc纯度，因此需要研发使得在商业上可行的工艺成为可能的可按比例缩放的方法。

多种方法已经被用于证实如通过吸收光谱法所评估具有大于99％sc纯度的半导体SWCNT的有效富集和分离。在这些方法中有密度梯度超速离心(DGU)、凝胶色谱(GC)、介电电泳以及通过共轭聚合物进行的选择性提取。在这些所列的选择方案当中，色谱和共轭聚合物提取可以为sc-SWCNT的可按比例缩放的富集提供更明确的途径。此外，作为用于分离具有大于99％半导体含量的sc-SWCNT的有成本效益的方法，共轭聚合物提取工艺的简单性进一步将它与其余方法区分开来，所述共轭聚合物提取工艺一般需要分散，继而是离心步骤。

关于共轭聚合物可以选择性地分散半导体SWCNT并且产生与薄膜晶体管制造相关的富集的半导体SWCNT级分的首次公开可以见于专利文献(Malenfant 2007)中。随后，证实了可以用聚芴衍生物对于特定的半导体SWCNT手性实现优越的选择性。最近，还证实使用聚(3-十二烷基噻吩)(P3DDT)对HiPco sc-SWCNT以及使用PFDD对电弧等离子体喷射管进行的有效富集提供了具有大于10cm2/Vs的迁移率的TFT。总的来说，这些结果以及其它结果已经明确地证明共轭聚合物在sc-SWCNT富集和TFT器件制造中的潜能。