表面活性剂胶束驱动碳纳米管长度分离

碳纳米管的结构分离和光电子器件制备通常需要将生长合成的碳纳米管通过超声处理均匀地分散在溶液中，从而避免因为碳纳米管团聚导致的器件性能降低。然而，超声分散处理会无法避免地导致碳纳米管的长度整体缩短。为了从具有一定长度分布的碳纳米管分散液中筛选出具有更加优异光电性能的长碳纳米管，研究者们发展了各种各样的长度分离方法，但是都存在着长度分辨率低和分离效率低等问题。 　　

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心先进材料与结构分析重点实验室A05组魏小均副研究员、刘华平研究员长期致力于碳纳米管的结构分离、表征与应用【Wei, X. et al. Adv. Sci. 2022, 9, 2200054】。近年来，该团队通过使用尺寸排阻法开展了碳纳米管长度分离的研究，为碳纳米管左右螺旋镜像体的超高纯度分离奠定了重要基础【Wei, X. et al. ACS Nano 2023, 17, 8393】。

最近，该团队发展了一种表面活性剂胶束驱动的高效、高分辨的碳纳米管长度分离技术。通过调控水溶液中两种表面活性剂的浓度，使碳纳米管分散液中较长的碳纳米管自发形成团聚并沉淀至容器底部，较短的碳纳米管则依旧悬浮在溶液中。进一步的对比实验表明，长碳纳米管的选择性沉淀可以归因于由两种表面活性剂形成的复合胶束，其占据了具有更大排阻体积的长碳纳米管的自由空间。在此发现的基础上进一步设计了两步选择性沉淀的策略，获得的长碳纳米管材料中长度大于等于500nm的碳纳米管含量达到99%，其分离效率为26%；获得的短碳纳米管材料中长度小于等于500nm的碳纳米管含量达到98%，其分离效率为64%。与过往报道的碳纳米管长度分离方法相比较，表明活性剂胶束驱动的长度分离技术展现出了更高的长度分辨率和分离效率。同时，该技术无需任何设备辅助，可以与基于表面活性剂的各种碳纳米管结构分离技术（包括凝胶色谱法、密度梯度离心法、和两相法等）完美地兼容，并且具备高效宏量制备长碳纳米管的优势。电学测试结果表明，相比于短半导体碳纳米管，基于长半导体碳纳米管制备的薄膜晶体管的开态电流增大了10.5倍，载流子迁移率增大了14.7倍，充分展现了长碳纳米管在高性能电子器件应用上的优势。 　　

以上研究成果已申请中国发明专利（魏小均等，用于分离长碳纳米管和短碳纳米管的方法，中国发明专利，申请号：2023109163836），研究论文以“Surfactant Micelle-Driven High-Efficiency and High-Resolution Length Separation of Carbon Nanotubes for Electronic Applications”为题发表于《Small》期刊上【Small 2024, 20, 2400303】，并入选封面文章。该工作得到了中科院物理所解思深院士和周维亚研究员的支持与指导。物理所联培硕士生凌爽为论文第一作者，物理所魏小均副研究员为论文共同第一/通讯作者，厦门理工学院熊飞兵教授、物理所刘华平研究员为论文共同通讯作者。上述研究工作得到了科技部重点研发计划、国家自然科学基金和中国科学院项目的经费支持。

《Small》期刊封面

图1：（a）在2% SDS + 0.2% SC的二元表面活性剂体系下静置不同时间（0−48小时）后，碳纳米管分散体的照片；（b）静置48小时后碳纳米管分散液摇晃前后的照片；（c,d）上清液和沉淀物中碳纳米管的AFM图（c）和相应的长度分布（d）；（e）上清液和沉淀物中碳纳米管的拉曼光谱。

图2：（a,d）在x% SDS + 0.2% SC（a）和2% SDS + x% SC（d）条件下静置48小时后碳纳米管分散液的照片；（b,e）在不同SDS（b）和SC（e）浓度下的上清液和沉淀物的比例；（c,f）在1.5% SDS + 0.2% SC和3.0% SDS + 0.2% SC（c），以及2.0% SDS + 0.2% SC和2.0% SDS + 2.0% SC（d）条件下沉淀碳纳米管的长度分布。

图3：（a）在2% SDS + 0.2% SC二元表面活性剂（左）、2% SDS（中）和0.2% SC（右）单一表面活性剂条件下静置48小时后的碳纳米管分散液照片；（b）在不同浓度的二元表面活性剂条件下静置48小时后的碳纳米管分散液照片，其中SDS和SC之间的浓度比固定为2:1；（c）对应（b）中不同浓度条件下上清液和沉淀物的比例；（d）长短碳纳米管分散在SC单一表面活性剂体系（左）和SDS + SC二元表面活性剂体系（中和右）中的示意图，中图和右图分别代表复合胶束挤压碳纳米管的过程和终态。

图4：（a）基于不同表面活性剂浓度的两步长度分离过程示意图。（b）基于本方法获得的短、中、长碳纳米管的长度分布。（c）基于传统尺寸排阻法（SEC）获得的长碳纳米管的长度分布。（d）不同方法分离的长碳纳米管的平均长度比较。（e）对应（a）的大规模长度选择性沉淀的照片，第一步为1000 mL（左），第二步为500 mL（右）。

图5：（a）背栅薄膜晶体管的结构示意图。（b）沟道区域内碳纳米管薄膜的AFM图。（c）在不同Vgs电压下薄膜晶体管的输出特性曲线。（d）对比长、初始和短半导体碳纳米管制备的薄膜晶体管的输出特性曲线。（e-g）使用长（e）、初始（f）、和短（g）半导体碳纳米管制备的薄膜晶体管的传输特性曲线。（h,i）对比用长、初始、和短半导体碳纳米管制备的薄膜晶体管的沟道电阻和接触电阻（h），以及开态电流和载流子迁移率（i）。