[发明专利]半导体纳米管的富集合成

说明书

本发明公开了用于生产工程催化剂和使用该催化剂碳纳米管(CNT)合成半导体单壁碳纳米管的组合物和方法。CNTS为金属的或半导体的，具有由工程催化剂控制的直径，以选择性合成半导体CNT。工程催化剂由高熔点金属和活性过渡金属两种金属组成。在半导体CNT的生长过程中，每种金属都保持固态，并且均以尺寸为0.5nm至10nm的纳米颗粒的形式存在。高熔点金属与活性过渡金属的比例优选为1:0.25至1:10。

本发明是在美国国家自然科学基金会授予的NSF标准资助1632566和1417276下在政府支持下完成的。政府对这项发明有一定的权利。

本申请要求于2018年10月23日提交的申请号为62/749588的美国临时申请的优先权。该申请和所有其他引用的外部材料在此均通过引用全部并入本文。

技术领域

本发明的领域涉及用于生产工程催化剂(engineered catalyst)和使用该催化剂合成半导体单壁碳纳米管的组合物和方法。

背景技术

以下描述包括可能有助于理解本发明的信息。不承认本文提供的任何信息是现有技术或与当前要求保护的发明相关，或者任何具体或隐含引用的出版物是现有技术。

碳纳米管(CNT)由于其优越的电性能被认为是下一代高性能电子器件的潜在构件。CNT在众多可预见的应用中具有巨大的潜力。然而，为了制造高性能的碳场效应晶体管(CFET)，并利用它们带来的线性度方面的显著进步，需要高质量的CNT材料。最近的研究表明，在Si衬底(substrate)上选择性生长半导体CNT是可能的，并且通过化学气相沉积(CVD)生长已经获得了非常高的半导体或CNT产量。金属催化剂的晶体结构在选择性方面起着重要作用。为了充分利用这一现象，使用在生长温度下保持固态的催化剂是关键。具有窄直径分布的CNT可以使用CVD处理技术通过使用单层和有序的催化剂阵列(matrix)来合成，该催化剂阵列在整个CNT生长过程中保持稳定，使得随后的管易于进行选择性刻蚀。生产尺寸均匀的纳米粒子并生成单层和高度有序的阵列至关重要。产生阵列的方法记载在出版物“Block Copolymer Lithography by Boyd,David A.,(2013),In:New and futuredevelopments in catalysis:catalysis by nanoparticles.Elsevier,Amsterdam,pp.305-332.ISBN 978-0-444-53874-1”中，其全部内容通过引用并入本文。

本文确定的所有出版物均以引用的方式并入，如同每一个单独的出版物或专利申请都被具体和单独地指出，以以引用的方式并入。在引入的参考文献中的术语的定义或使用与本文提供的该术语的定义不一致或相反的情况下，适用本文提供的该术语的定义，而不适用参考文献中该术语的定义。

已经表明，在生长过程中产生适当的氧化环境可以选择性地刻蚀掉金属CNT或抑制金属CNT的形成。这可能是因为金属CNT具有较小的电离能，因此比半导体CNT更易于刻蚀。杜克大学(Duke University)的Liu Jie教授发现，当实施使用铁催化剂的CVD生长时，通过在气体前体中引入H₂O，可以获得更高的半导体CNT产量(General Rules forselective growth of enriched semiconducting single walled carbon nanotubewith water vapor as in situ etchant,Zhou et ah,J.Am.Chem.Soc..,2012,134(34),pp14019-14026)。最近开发的光学表征技术证实了由同一组生长的CNT包含直径为1.6nm至2.1nm的高度富集的半导体CNT。然而，适当的氧化环境尚未建立，催化剂与氧化环境的适当结合也尚未建立。