[发明专利]亲水性半导体性单壁碳纳米管油墨

说明书

单壁碳纳米管组合物包括基本上富集半导体性单壁碳纳米管的单壁碳纳米管，该半导体性单壁碳纳米管与具有一个或多个寡聚醚侧基的聚合物缔合。寡聚醚侧基使组合物可分散在极性有机溶剂例如烷基卡必醇中，允许配制含有基本上富集半导体性单壁碳纳米管的单壁碳纳米管的油墨组合物。这种油墨组合物可以使用普通印刷方法容易地印刷，诸如喷墨、柔版印刷和凹版印刷。

相关申请的交叉引用

本申请要求2016年1月8日提交的美国临时专利申请USSN 62/276,603的优先权，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本申请涉及碳纳米管。

背景技术

生产单壁碳纳米管(SWCNT)的工艺通常生产半导体性单壁碳纳米管(sc-SWCNT)和金属性单壁碳纳米管(m-SWCNT)的混合物。在所生产的SWCNT中，sc-SWCNT通常形成混合物的约75wt％。为了应用于半导体器件，需要更高纯度的SWCNT，因为完全导电的m-SWCNT可能干扰半导体器件的正常功能。

近年来，在sc-SWCNT的纯化方面取得的重大进展使得这种类型的材料在可印刷电子应用中具有很大的前景。现在可以容易地实现迁移率高于30并且开/关比在10⁶以上的薄膜晶体管(TFT)(Ding 2014；Ding 2015)。然而，制造具有集成TFT器件的印刷电路仍然是一个挑战。这项挑战的主要问题涉及缺乏用于工业印刷特别是辊对辊(roll-to roll)印刷的合适的sc-SWCNT油墨。目前的纯化技术仅提供在水性或非极性有机溶剂中的sc-SWCNT分散体。sc-SWCNT在水溶液中的分散体由大量表面活性剂稳定，通常表面活性剂与纳米管的重量比为1000/1。大量表面活性剂阻止了它们配制成用于普通印刷技术诸如凹版印刷和柔版印刷的相关油墨。尽管用于在非极性有机溶剂诸如甲苯中稳定纳米管分散体的共轭聚合物的重量比低(通常为1/1至约5/1)，并且对器件性能(迁移率；开/关)没有显示显著的有害影响，这种类型的分散体也难以配制，因为在商业印刷中使用的普通溶剂中缺乏分散性，其中优选具有较高粘度的极性有机溶剂，诸如烷基卡必醇。

目前关于制备富集共轭聚合物包裹的sc-SWCNT材料的稳定亲水分散体的知识很少。配体交换已经得到证实(Stranks 2013a；Stranks 2013b)，但不是为了显著改变从疏水体系到亲水体系的分散性，也不是为了制造用于商业环境的相关油墨体系。我们所知没有文献描述了在极性有机溶剂诸如烷基卡必醇中富集sc-SWCNT，并提供了获得所需产物的有效途径，避免了优选配体交换的需要。目前的文献(Wang 2015)表明，在极性溶剂如四氢呋喃(THF)中分选SWCNT不会产生sc-SWCNT的选择性分散体。

已提出具有寡聚醚侧基的聚合物，诸如聚(9,9-二(甲氧基乙氧基乙氧基乙基)芴)，与所制备的碳纳米管形成复合材料，用作发光材料(Liu 2011)。然而，这种材料还没有报道用于制备具有高度纯化的半导体性单壁碳纳米管(sc-SWCNT)的复合材料。由于基于用于纳米管纯化的技术，纯化的/富集的sc-SWCNT通常被表面活性剂或共轭聚合物包裹，因此不能通过简单地将sc-SWCNT与Liu 2011中提出的相应聚合物混合来制备具有寡聚醚侧基的sc-SWCNT/聚合物的复合材料。

已提出了一种配体交换方法，其中聚芴聚合物(PF)被具有烷基侧链的聚噻吩置换(Stranks 2013a；Stranks 2013b)。然而，现有技术没有教导如何有效地获得疏水复合物并使复合物亲水。现有技术也没有教导如何使用亲水共轭聚合物/溶剂体系成功地进行产生高纯度sc-SWCNT的富集工艺。

仍然需要能够在极性有机溶剂中有效地分散富集的sc-SWCNT以形成稳定的可印刷油墨。

发明内容