Cum se face distincția între nanotuburile de carbon metalice și cele semiconductoare cu un singur perete?

Nanotuburile de carbon cu un singur perete (SWCNT) nu au toate aceleași proprietăți conductoare. Nanotuburile de carbon formate prin rularea unui singur strat de grafen pot prezenta fie un comportament metalic, fie semiconductor. Cheia acestei diferențe nu este doar diametrul sau lungimea tubului, ci structura chirală (chiralitate) și indicele chiral (n,m) corespunzător metodei de rulare a nanotubului de carbon.

Pentru companiile care lucrează la dispozitive nanoelectronice, filme conductoare transparente, senzori, tranzistori cu efect de câmp-și materiale compozite conductoare de înaltă-performanță, clarificarea diferenței dintre nanotuburile de carbon metalice și semiconductoare cu un singur perete-este foarte importantă.

Mai simplu spus, vă puteți aminti mai întâi o regulă de judecată: când (n−m) mod 3=0, nanotubul de carbon cu un singur perete-aparține tipului metalic în cadrul modelului ideal de ordinul întâi-; când (n−m) mod 3=1 sau 2, acesta aparține tipului semiconductor.

Această relație clasică de structură electronică a fost verificată printr-o cantitate mare de cercetări privind nanotuburile de carbon. Proprietățile electrice ale nanotuburilor de carbon sunt determinate de chiralitatea lor în direcția circumferențială. Teoretic, aproximativ 1/3 sunt metalice și 2/3 sunt semiconductoare.

I. Care este cea mai mare diferență între nanotuburile de carbon metalice și cele semiconductoare cu un singur perete?

Cea mai mare diferență dintre cele două este structura diferită a benzii electronice, iar această diferență provine din structura chirală a nanotubului de carbon cu un singur perete-.

Un nanotub de carbon cu un singur perete-poate fi privit ca o structură cilindrică formată prin rularea unui strat de grafen de-a lungul unei anumite direcții. Direcțiile de rulare diferite ale grafenului produc indici chirali diferiți (n,m).

Cu alte cuvinte: Direcția de rulare a grafenului → Index chiral diferit → Structură de bandă diferită → Metalic sau semiconductor.

Cercetările experimentale timpurii privind nanotuburile de carbon cu un singur perete-au demonstrat deja că proprietățile lor electronice sunt legate de direcția de aranjare și diametrul structurii de grafit a peretelui tubului.

Prin urmare, nu este posibil să se determine direct dacă un SWCNT este metalic sau semiconductor prin inspecție vizuală, imagini SEM obișnuite sau pur și simplu „dimensiunea diametrului tubului”.

II. Care este indicele chiral (n,m) al nanotuburilor de carbon cu un singur perete?

Indicele chiral (n,m) este cel mai important parametru structural pentru determinarea tipului electronic al nanotuburilor de carbon cu un singur{{0}perete.

Pe o rețea de grafen bi-dimensională, două numere întregi n și m pot fi folosite pentru a descrie direcția de rulare a nanotubului de carbon.

De exemplu:

(6,5)

(7,5)

(9,9)

(10,0)

(12,6)

Acestea par a fi doar două numere întregi, dar de fapt corespund diferitelor:

Diametrele tuburilor

Unghiuri chirale

Metode de aranjare atomică

Structuri electronice de bandă

Tranziții optice

Proprietăți de transport electric

Cercetările arată că nanotuburile de carbon cu un singur perete-poate avea sute de structuri diferite, fiecare definită de un indice chiral (n,m) și corespunzând diferitelor tranziții optice.

Relația de bază dintre indicele chiral și tipul electronic

Clasificarea de mai sus este metoda clasică de judecată în structura electronică ideală a nanotuburilor de carbon cu un singur{{0}perete.

III. Cum se determină tipul metalic sau semiconductor prin formule?

Cea mai directă metodă este de a calcula restul când (n−m) este împărțit la 3.

De exemplu:

Exemplul 1: (9,9)

9−9=0

0 mod 3=0

Prin urmare:

(9,9) → Metalic

Acesta este, de asemenea, un nanotub de carbon cu un singur perete-de tip fotoliu-.

Exemplul 2: (10,0)

10−0=10

10 mod 3=1

Prin urmare:

(10,0) → Semiconductor

Exemplul 3: (10,7)

10−7=3

3 mod 3=0

Prin urmare:

(10,7) → Aparține tipului metalic sub modelul ideal de ordinul întâi.

Exemplul 4: (8,6)

8−6=2

2 mod 3=2

Prin urmare:

(8,6) → Semiconductor.

Această metodă de judecată poate fi organizată într-un tabel foarte simplu:

Prin urmare, dacă un furnizor poate furniza date clare de distribuție a chiralității (n,m), este posibil să se judece tipurile metalice și semiconductoare de la nivel structural.

IV. Sunt toate nanotuburile de carbon cu un singur perete cu -modul (n−m) 3=0 cu adevărat metalice?

Strict vorbind, nu este posibil să înțelegem pur și simplu toate SWCNT-urile cu (n−m) mod 3=0 ca metale ideale cu bandgap complet zero.

Acesta este un punct foarte important în achizițiile reale și comunicarea tehnică.

Conform aproximării clasice de legare strânsă-, (n−m) mod 3=0 corespunde metalității; totuși, pentru tuburile de tip non-fotoliu-, efecte cum ar fi curbura și amestecarea orbitală π pot deschide o bandă foarte mică. Prin urmare, unele așa-numitele tuburi chirale „metalice” sunt clasificate mai precis ca semi-metale sau semiconductori cu bandgap extrem de mici.

Cercetările recente ACS subliniază, de asemenea, în mod specific că SWCNT-urile cu (n−m) mod 3=0 sunt în general clasificate ca metalice, dar unele tuburi chirale, altele decât n=m, pot avea, teoretic, benzi interzise foarte mici.

Prin urmare, în documentele tehnice profesionale:

SWCNT metalic ≠ Având bandgap strict zero în toate cazurile.

În special în aplicațiile dispozitivelor electronice, comportamentul final al dispozitivului nu poate fi judecat doar pe baza unei reguli simple mod 3.

V. Care sunt diferențele de performanță dintre nanotuburile de carbon metalice și cele semiconductoare cu un singur perete?

SWCNT-urile metalice sunt mai potrivite pentru utilizarea caracteristicilor lor de înaltă conductivitate, în timp ce SWCNT-urile semiconductoare sunt mai potrivite pentru dispozitivele electronice și optoelectronice care necesită transport reglabil.

Proprietățile electronice SWCNT sunt strâns legate de chiralitate, iar nanotuburile de carbon semiconductoare au fost deja folosite în tranzistori cu efect de câmp-, dispozitive logice, electronice flexibile și alte direcții.

VI. Spectroscopia Raman poate face distincția între nanotuburile de carbon metalice și cele semiconductoare cu un singur perete?

Vârfurile caracteristice în spectroscopia Raman pot fi folosite pentru judecată, dar Raman nu poate echivala pur și simplu „proporția zonei de vârf” cu proporția reală a tipurilor metalice și semiconductoare dintr-o probă.

Aceasta este una dintre cele mai remarcabile probleme experimentale atunci când se judecă nanotuburile de carbon metalice și semiconductoare cu un singur perete-.

RBM (Radial Breathing Mode) în spectroscopia Raman este foarte sensibil la diametrul nanotuburilor de carbon și la chiralitate, astfel încât poziția de vârf a RBM și condițiile de rezonanță pot ajuta la identificarea structurilor specifice (n,m).

Cercetările au demonstrat că Raman poate fi utilizat pentru identificarea chirală a SWCNT-urilor metalice, iar rezoluția energetică foarte mare poate fi obținută prin caracteristicile electronice de împrăștiere Raman.

Cu toate acestea,:

Nu se poate presupune pur și simplu că „intensitatea maximă RBM metalică ÷ toate intensitățile maxime RBM=conținut metalic”.

Motivul este că semnalele Raman sunt afectate de:

Lungimea de undă laser

Condiții de rezonanță

Diametrul tubului de carbon

Chiralitate

Secțiune transversală-Raman de împrăștiere

Exemplu de mediu

și alți factori.

Cercetările subliniază în mod clar că utilizarea unui număr limitat de linii laser pentru a estima direct raportul metalic prin numărul de vârf al RBM sau intensitatea integrată poate produce abateri.

VII. Cum să utilizați vârfurile RBM pentru a ajuta la evaluarea tipului de nanotuburi de carbon cu un singur perete?

RBM este una dintre amprentele structurale foarte importante în caracterizarea Raman a nanotuburilor de carbon cu un singur perete, dar analiza trebuie combinată cu energia laser și identificarea chirală.

Vârfurile RBM sunt de obicei situate în regiunea inferioară a numărului de undă, iar pozițiile lor de vârf au o relație evidentă cu diametrul nanotuburilor de carbon.

O relație aproximativă comună poate fi scrisă astfel:

ωRBM ≈ A/d + B

Unde:

ωRBM: RBM poziție de vârf

d: diametrul SWCNT

A, B: Parametri legați de modelul și mediul specific

Prin urmare, Raman nu este pur și simplu „a vedea un vârf vă spune dacă este metalic sau semiconductor”.

O abordare mai fiabilă este:

Vârful RBM → Estimați diametrul tubului → Combinați cu condițiile de rezonanță → Efectuați identificarea (n,m) → Judecăți tipul electronic pe baza (n−m) mod 3.

Acesta este și motivul pentru care furnizorii profesioniști de SWCNT trebuie să posede capacități de caracterizare structurală relativ complete.

VIII. Poate spectroscopia UV-vis-NIR să facă distincția între tipurile metalice și cele semiconductoare?

Da, iar spectroscopia UV-vis-NIR este una dintre metodele importante pentru analiza compoziției SWCNT-urilor metalice/semiconductoare.

Nanotuburile de carbon semiconductoare cu un singur perete-au tranziții electronice evidente, cum ar fi caracteristicile comune S11, S22; SWCNT-urile metalice au caracteristici diferite de tranziție optică.

Cercetările ACS existente au folosit spectroscopia de absorbție UV-vis-NIR pentru a analiza raportul dintre SWCNT metalice și semiconductoare și au raportat rezultate cantitative pentru probe metalice-imbogățite și semiconductoare-. De exemplu, conținutul metalic al unor probe separate poate ajunge la 99,5%, iar conținutul de semiconductor poate ajunge la 98,9%.

Cu toate acestea, aceste cifre sunt rezultate experimentale ale unor eșantioane de cercetare specifice, nu indicatori universali pe care îi pot obține toate produsele SWCNT.

Prin urmare, în timpul achiziției, dacă un furnizor susține:

"Metallic SWCNT purity >99%"

Cel mai bine este să întrebați în continuare:

Care este metoda de testare?

Testează conținutul metalic sau puritatea unei anumite chiralitate?

Este un singur (n,m) sau un amestec metalic?

Ce rază laser/spectrală este utilizat?

Există date independente de caracterizare?

IX. Poate difracția electronilor să determine direct tipul metalic/semiconductor al nanotuburilor de carbon cu un singur-perete?

Difracția electronilor poate oferi o bază structurală pentru evaluarea tipului metalic/semiconductor prin analiza structurii cristaline și a indicelui chiral (n,m) al SWCNT-urilor individuale.

Aceasta este una dintre metodele importante pentru studiul structurii nanotuburilor de carbon individuale.

Cercetarea ACS a folosit difracția de electroni pentru a analiza distribuția chiralității SWCNT-urilor și a determina raportul metalic din probe pe baza nanotuburilor de carbon individuale. De exemplu, într-un eșantion de cercetare, analiza a 166 de SWCNT a dat un raport metalic de aproximativ 24%; un alt grup de probe a fost de aproximativ 33%.

Aceasta ilustrează și un punct important:

Teoretic „aproximativ 1/3 metalic, aproximativ 2/3 semiconductor” este o bază statistică structurală și nu înseamnă că orice probă crescută reală se va menține strict 33,3%/66,7%.

Raportul real este afectat de:

Catalizator

Temperatura de crestere

Sursa de carbon

Cinetica de creștere

Distribuția diametrului tubului

Selectivitatea chiralității

și alți factori.

X. De ce poate diferi atât de mult prețul nanotuburilor de carbon cu un singur-perete?

Diferențele de preț SWCNT sunt adesea legate de puritate, gradul de control al chirității, raportul metalic/semiconductor, distribuția diametrului tubului și nivelul post-tratament, nu doar „conținutul de nanotuburi de carbon”.

SWCNT-urile mixte obișnuite și SWCNT-urile semiconductoare de{0}}puritate ridicată nu sunt aceeași logică de achiziție.

Obținerea unor SWCNT uniforme cu diametru, lungime, chiralitate și proprietăți electronice bine definite a fost întotdeauna un obiectiv important în acest domeniu. Rutele de cercetare includ creșterea selectivă și separarea post-sinteză.

XI. Cum să alegi între nanotuburi de carbon metalice și semiconductoare cu un singur perete?

Dacă nevoia principală este conductivitatea, de obicei trebuie să vă concentrați pe raportul metalic; dacă scopul sunt tranzistoarele sau dispozitivele semiconductoare, trebuie să vă concentrați pe puritatea semiconductoare și pe chiralitate specifică.

Judecarea prealabilă se poate face conform cererii:

Trebuie subliniat că „metalic este mai bun” sau „semiconductor este mai bun” nu sunt modalități exacte de evaluare a materialelor.

Adevărata alegere ar trebui să fie determinată de dispozitivul final și sistemul de material.

XII. De ce trebuie ca producătorii de nanotuburi de carbon cu un singur perete să controleze chiralitatea?

Deoarece pentru aplicațiile SWCNT{0}}de înaltă calitate, controlul chiralității înseamnă de fapt controlul proprietăților electronice și optice ale materialului final.

Principalele rute tehnice curente includ:

Creșterea selectivă

Controlul chiralității

Separarea după-sinteză

Separare metalic/semiconductor

Separare-chiralitate unică

Pentru materialele compozite obișnuite, este posibil să nu fie necesară o puritate chirală foarte mare.

Dar pentru:

CNT-FET

Tranzistoare flexibile

Dispozitive logice nanolaser

Fotodetectoare

Aproape-dispozitivele optoelectronice cu infraroșu

Senzori cu o singură moleculă{0}

Importanța controlului chiralității va crește semnificativ.

XIII. În calitate de producător de nanotuburi de carbon cu un singur perete, cum se potrivește Shandong Tanfeng cu diferite aplicații?

Dezvoltarea de produse cu nanotuburi de carbon cu un singur perete-Shandong Tanfeng poate stabili o relație corespunzătoare în jurul „parametrilor structurali-tipul electronic-aplicației finale”, mai degrabă decât să furnizeze doar un produs SWCNT cu specificații unificate.

Pentru clienții care trebuie să achiziționeze nanotuburi de carbon cu un singur{{0}perete, comunicarea se poate concentra pe următorii parametri:

1. Structură de bază pentru nanotuburi de carbon cu un singur perete

Include:

Diametrul tubului

Lungime

Raportul de aspect

Suprafață specifică

Puritatea carbonului

Impurități metalice

Conținut de carbon amorf

2. Tip electronic

În funcție de nevoile aplicației clientului, o atenție suplimentară poate fi acordată:

SWCNT metalic

SWCNT semiconductoare

SWCNT-îmbogățit cu metal

SWCNT îmbogățit-semiconductor

3. Informații de chiralitate

Pentru aplicațiile de vârf-, se poate acorda o atenție suplimentară:

(n,m) distribuție

Unghi chiral

Distribuția diametrului tubului

Gradul de îmbogățire specific chiralității

4. Caracterizare spectrală

În funcție de necesitățile produsului și aplicației, se poate acorda atenție:

Raman

RBM

Raportul G/D

UV-viz-NIR

PL

Alte caracterizări structurale/compoziționale

Acest lucru este deosebit de important pentru întreprinderile de cercetare și dezvoltare și de producție care au nevoie să achiziționeze nanotuburi de carbon cu un singur perete-puritate-înaltă, nanotuburi de carbon semiconductoare cu un singur perete-și nanotuburi metalice cu un singur perete-.

XIV. Pentru ce aplicații sunt mai potrivite produsele Shandong Tanfeng din nanotuburi de carbon cu un singur perete?

Shandong Tanfeng poate oferi clienților potrivire de produse pentru materiale electronice, materiale conductoare și materiale compozite de înaltă performanță în jurul diferitelor tipuri de electronice SWCNT și cerințe structurale.

Dispozitive electronice

Pentru clienții care au nevoie de SWCNT semiconductoare, potrivirea specificațiilor poate fi efectuată în jurul raportului semiconductorilor, distribuției chiralității și caracteristicilor optice.

Filme conductive

Pentru aplicații precum filmele conductoare transparente, accentul se poate pune pe raportul metalic, capacitatea de formare a rețelei și rezistența filmului.

Senzori

SWCNT-urile sunt relativ sensibile la adsorbția de suprafață și la schimbările de sarcină locală și pot fi utilizate pentru diferite tipuri de dezvoltare a materialului senzorului.

Materiale compozite conductive

Dacă scopul aplicației este de a stabili o rețea conductivă cu adaos redus-, este necesară luarea în considerare cuprinzătoare a lungimii, diametrului, purității, stării de dispersie și tipului electronic SWCNT.

În calitate de producător de nanotuburi de carbon cu un singur{{0}perete, Shandong Tanfeng poate corespunde specificațiilor din două dimensiuni-structura produsului și indicatorilor de caracterizare-în funcție de nevoile specifice ale aplicației clienților, în loc să vândă pur și simplu sub cele trei cuvinte „SWCNT”.

XV. Întrebări frecvente: Nanotuburi de carbon metalice și semiconductoare cu un singur perete

1. De ce nanotuburile de carbon cu un singur{{1}perete au tipuri metalice și semiconductoare?

Deoarece direcțiile de rulare diferite ale grafenului produc structuri chirale diferite, iar structurile chirale determină nivelurile de energie electronică și structurile de bandă permise.

2. Cum se judecă tipul SWCNT prin (n,m)?

Calculați (n−m) mod 3 pentru judecata clasică de ordinul întâi.

Restul lui 0 → metalic;
Restul lui 1 sau 2 → Semiconductor.

3. Ce tip este (6,5) nanotuburi de carbon cu un singur perete?

(6−5)=1, prin urmare (6,5) aparține SWCNT semiconductoare.

4. Ce tip este (9,9)?

(9−9)=0, prin urmare (9,9) este un SWCNT metalic tipic de fotoliu.

5. Poate Raman să măsoare cu precizie conținutul metalic?

Raman poate fi utilizat pentru caracterizarea tipului metalic/semiconductor și chiralitate, dar raportul metalic precis nu poate fi obținut direct printr-o singură zonă de vârf RBM sau număr de vârf. Condițiile de rezonanță, lungimea de undă laser și secțiunile transversale-de împrăștiere Raman ale diferitelor chiralități afectează toate rezultatele.

6. Sunt SWCNT-urile metalice neapărat mai conductoare decât SWCNT-urile semiconductoare?

Din definiția structurii electronice, tipul metalic are caracteristici de bandgap aproape de-zero, dar conductivitatea materialelor reale este, de asemenea, afectată de defecte, contacte, dopaj de încărcare, contacte inter-tuburilor și structura rețelei.

7. Care este raportul teoretic dintre tipurile metalice și semiconductoare în nanotuburi de carbon cu un singur perete?

Conform modelului statistic al distribuției chiralitate aleatorie ideală, aceasta este de aproximativ 1/3 metalică și 2/3 semiconductoare, dar probele reale crescute se pot abate semnificativ de la acest raport.

Aprecierea tipului de nanotuburi de carbon cu un singur perete: mai întâi priviți (n,m), apoi priviți datele de caracterizare

Pentru a distinge între nanotuburi de carbon metalice și semiconductoare cu un singur perete-, cel mai important lucru nu este aspectul, ci structura chirală și rezultatele caracterizării electronice.

Logica cea mai de bază a judecății poate fi rezumată ca: (n,m) indice chiral → (n−m) mod 3 → Metalic/semiconductor → Raman, UV-vis-NIR și alte verificări experimentale.

Dacă faceți doar o judecată structurală de bază, regula (n,m) este deja foarte practică. Dacă introduceți achiziția efectivă de produse, atunci nu vă puteți uita doar la formule teoretice, ci trebuie să vă concentrați în continuare pe:

Puritatea unui-nanotub de carbon cu un singur perete

Raport metalic/semiconductor

Distribuția diametrului tubului

Distribuția lungimii

Distribuția chiralității

date Raman

Date UV-vis-NIR

date PL

Impurități metalice

Consistența lotului

În special pentru SWCNT-urile electronice de calitate-, „dacă este un singur-perete” este doar primul pas. „Ce chiralitate, ce tip de electronic și ce puritate” determină cu adevărat valoarea sa de aplicare.

În calitate de producător de nanotuburi de carbon cu un singur perete, Shandong Tanfeng poate oferi asistență de selecție de la nanotuburi de carbon cu un singur perete-de bază până la produse de tip electronic specifice pentru nevoile produselor metalice, semiconductoare și cu parametri structurali diferiți SWCNT și poate combina Raman, spectroscopie și alte date de caracterizare pentru a ajuta clienții să judece dacă produsul este potrivit pentru aplicația țintă.

Pentru clienții din străinătate care caută nanotuburi de carbon cu un singur perete, SWCNT semiconductor, SWCNT metalic și SWCNT de-puritate înaltă, mai degrabă decât să compare prețurile, este mai bine să confirmați mai întâi dacă tipul electronic, distribuția chiralității și datele de caracterizare îndeplinesc cu adevărat cerințele aplicației.