CN109870418B - 半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法，其包括：使用半导体性单壁碳纳米管样品形成半导体性单壁碳纳米管溶液；测量半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱；以及基于吸收光谱中的极值确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度。

Description

半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法

技术领域

本公开涉及半导体性单壁碳纳米管，具体涉及半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法。

背景技术

由于碳纳米管具有一维结构和独特的电学性能，所以自发现后就引起了科学界的广泛关注，现已开展了将碳纳米管应用于电子器件、场发射技术、生物载药、储氢技术等诸多领域的研究工作。碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，其中单壁碳纳米管作为优良的一维纳米材料，因其具有较高的载流子迀移率而被用作制造场效应晶体管、薄膜晶体管等电子器件，有望取代硅材料而成为下一代微电子器件的关键材料。根据导电性质，碳纳米管还可分为金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管。

高纯度半导体性单壁碳纳米管对于碳纳米管在电子器件上的应用具有重要的意义。然而，相关技术中的测量半导体性单壁碳纳米管的方法存在精度不够、工艺复杂、流程复杂等问题。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法，包括：

使用半导体性单壁碳纳米管样品形成半导体性单壁碳纳米管溶液；

测量半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱；以及

基于吸收光谱中的极值确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度。

根据本公开的至少一个实施方式，基于吸收光谱中的极值确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤还包括：

通过吸收光谱计算出第一吸光度比值；以及

基于第一吸光度比值，确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度，

第一吸光度比值为吸收光谱中S₂₂区中的吸光度最大值或S₁₁区中的吸光度最大值与M₁₁区中的吸光度最小值之间的比值。

根据本公开的至少一个实施方式，基于吸收光谱中的极值确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤还包括：

通过吸收光谱计算出第二吸光度比值；以及

基于第二吸光度比值，确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度，

第二吸光度比值为吸收光谱中S₂₂区中的吸光度最大值与S₂₂区中除该吸光度最大值之外的吸光度极大值之间的比值，或吸收光谱中S₁₁区中的吸光度最大值与S₁₁区中除该吸光度最大值之外的吸光度极大值之间的比值。

根据本公开的至少一个实施方式，使用半导体性单壁碳纳米管样品形成半导体性单壁碳纳米管溶液的步骤包括：

将半导体性单壁碳纳米管样品溶解在水或有机溶剂中，以形成半导体性单壁碳纳米管溶液。

根据本公开的至少一个实施方式，基于第一吸光度比值，确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤包括：

基于预先确定的第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系，确定出与第一吸光度比值相对应的半导体性单壁碳纳米管的纯度。

根据本公开的至少一个实施方式，该方法还包括建立第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系，以及

基于所述第一吸光度比值，确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤包括：根据对应关系，确定出与第一吸光度比值对应的半导体性单壁碳纳米管的纯度。

根据本公开的至少一个实施方式，建立第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系的步骤包括：

使用多个半导体性单壁碳纳米管样品形成多个半导体性单壁碳纳米管溶液，该多个半导体性单壁碳纳米管样品具有不同的纯度；

测量多个半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱，以确定出多个第一吸光度比值；以及

基于多个第一吸光度比值与多个半导体性单壁碳纳米管样品的不同的纯度建立对应关系。

根据本公开的至少一个实施方式，基于第二吸光度比值，确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤包括：

基于预先确定的第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系，确定出与第二吸光度比值相对应的半导体性单壁碳纳米管的纯度。

根据本公开的至少一个实施方式，该方法包括：建立第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系，以及

基于所述第二吸光度比值，确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤包括：根据对应关系，确定出与第二吸光度比值对应的半导体性单壁碳纳米管的纯度。

根据本公开的至少一个实施方式，建立第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系的步骤包括：

使用多个半导体性单壁碳纳米管样品形成多个半导体性单壁碳纳米管溶液，该多个半导体性单壁碳纳米管样品具有不同的纯度；

测量多个半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱，以确定出多个第二吸光度比值；以及

基于多个第二吸光度比值与多个半导体性单壁碳纳米管样品的不同的纯度建立对应关系。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1示出了根据本公开实施方式的半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法的示意性流程图；

图2示例性地示出了根据本公开实施方式的半导体性单壁碳纳米管薄膜的吸收光谱；以及

图3示例性地示出了根据本公开实施方式的半导体性单壁碳纳米管薄膜的另一吸收光谱。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本公开作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关内容，而非对本公开的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本公开相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本公开。

图1示出了根据本公开实施方式的半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法的示意性流程图。如图1所示，根据本公开实施方式的半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法包括：

S1，使用半导体性单壁碳纳米管样品形成半导体性单壁碳纳米管溶液；

S2，测量半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱；以及

S3，基于吸收光谱中的极值确定出半导体性单壁碳纳米管样品的纯度。

在本实施方式中，上述的使用半导体性单壁碳纳米管样品形成半导体性单壁碳纳米管溶液的步骤可包括：将含有杂质的半导体性单壁碳纳米管样品加入水或有机溶剂中，以形成半导体性单壁碳纳米管溶液。上述的有机溶剂可包括：甲苯二甲苯、氯仿、四氢呋喃、环己烷、甲基环己烷、乙基环己烷、氮甲基吡咯烷酮、二甲基亚砜等。在本公开可能的实施方式中，半导体性单壁碳纳米管溶液可以是预先制备的。

在本实施方式中，上述的测量半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱的步骤可包括：测量400nm至1500nm的光波长范围内的半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱。本领域技术人员应理解上述的400nm至1500nm的光波长范围仅为示例性的，还可以采用其他可能的光波长范围，只要该光波长范围包括S₂₂区或S₁₁区，以及M₁₁区，其中S₁₁区指的是半导体性碳纳米管的第一能带吸收区，S₂₂区指的是半导体性碳纳米管的第二能带吸收区，以及M₁₁区指的是金属性碳纳米管的第一吸收区。在本公开可能的实施方式中，上述的光波长范围还可以是多个不连续的范围，例如可包括从500nm至800nm的光波长范围和从900nm至1200nm的光波长范围。图2示例性示出了根据本公开实施方式的半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱。

在通过测量得到的半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱中，可得到S₁₁区中或S₂₂区中的吸光度极大值，以及M₁₁区中的吸光度极小值。S₂₂区中的吸光度最大值与M₁₁区中的吸光度最小值的比值，或S₁₁区中的吸光度最大值与M₁₁区中的吸光度最小值的比值可定义为第一吸光度比值。S₂₂区中的吸光度最大值与S₂₂区中除该吸光度最大值之外的吸光度极大值的比值，或S₁₁区中的吸光度最大值与S₁₁区中除该吸光度最大值之外的吸光度极大值的比值可定义为第二吸光度比值。例如，在图2中，S₂₂区中的吸光度最大值出现在光波长约为1010nm处，M₁₁区中的吸光度最小值出现在光波长约为700nm处，以及S₂₂区中与直径为1.6nm的碳纳米管对应的吸光度极大值出现在光波长约为1080nm处。例如，在图2中，根据S₂₂区中的吸光度最大值、M₁₁区中的吸光度最小值以及S₂₂区中与直径为1.6nm的碳纳米管对应的吸光度极大值，可得到第一吸光度比值约等于5.37，以及第二吸光度比值约等于1.2653。虽然在本实施方式中，通过与直径为1.6nm的碳纳米管对应的吸光度极大值来计算第二吸光度比值，然而本领域技术人员应理解还可使用S₁₁区或S₂₂区中的其他吸光度极大值来计算第二吸光度比值。由于第一吸光度比值和第二吸光度比值与半导体性碳纳米管的纯度分别成一一对应关系，并且第一吸光度比值与半导体性碳纳米管的纯度成正比例关系，第二吸光度比值与半导体性碳纳米管的纯度成反比例关系，从而可根据第一吸光度比值和第二吸光度比值确定半导体性碳纳米管纯度。也即，每个第一吸光度比值对应一个半导体性碳纳米管纯度，并且第一吸光度比值越大，其表示半导体性碳纳米管纯度越大。类似地，每个第二吸光度比值对应一个半导体性碳纳米管纯度，并且第二吸光度比值越小，其表示半导体性碳纳米管纯度越大。与第一吸光度比值相比，第二吸光度比值可反映出更高的纯度。根据本公开的实施方式，第一吸光度比值可实现0.001％的精度，以及第二吸光度比值可实现更高的精度，例如0.0001％的精度，然而在相关技术中，仅可实现0.1％的精度。例如，在本公开可能的实施方式中，当第一吸光度比值为5.37和第二吸光度比值为1.2653时，半导体性碳纳米管的纯度为99.995％。

根据本实施方式中，确定出第一吸光度比值后，可在第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表中查找出与该第一吸光度比值相对应的半导体性单壁碳纳米管的纯度。另外，根据本实施方式中，确定出第二吸光度比值后，可在第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表中查找出与该第二吸光度比值相对应的半导体性单壁碳纳米管的纯度。

根据本公开实施方式的半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法，可实现高测量精度，并且工艺和流程简单，从而节省了时间和费用。

在本实施方式中，上述的第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表和第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表可以是预先确定的或通过相关技术中其他的半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法来确定的，本公开对此没有限制。下面将结合具体示例描述通过相关技术中半导体性单壁碳纳米管纯度的一种具体电学测量方法来确定出第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表和第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表的方法，然而本领域技术人员应理解该示例仅是示例性的，本领域技术人员通过该示例还可想到其他确定第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表和第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表的方法。

在该具体示例中，该方法可包括：

步骤(1)：制备不同纯度的半导体性单壁碳纳米管溶液样品；

步骤(2)：利用浸涂方法将步骤(1)中的溶液形成为半导体性单壁碳纳米管薄膜样品，在该半导体性单壁碳纳米管薄膜样品中半导体性单壁碳纳米管的密度为40根/微米；

步骤(3)：在步骤(1)形成的样品上形成50个场效应晶体管，该场效应晶体管的沟道长度为200纳米，其小于半导体性单壁碳纳米管的长度，以及沟道宽度为10微米；

步骤(4)：对步骤(2)中的样品进行电学测试，以及测量步骤(2)中的样品的吸收光谱；以及

步骤(5)：在通过电学测试结果所确定出的不同纯度下，查看对应的第一吸光度比值和第二吸光度比值，从而可建立第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表和第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表。

在该具体示例中，对于一个具体的半导体性碳纳米管溶液样品，在形成的50个场效应晶体管中，仅发现了一个开关比异常的场效应晶体管，则该半导体性碳纳米管的纯度可表示为(1-1/半导体性单壁碳纳米管的根数)×100％，其中半导体性单壁碳纳米管的根数＝半导体单壁碳纳米管的密度×场效应晶体管的沟道宽度×场效应晶体管的个数＝40×10×50＝20000根，从而可得到半导体性碳纳米管的纯度为99.995％，其对应的第一吸光度比值为5.37，第二吸光度比值为1.2653。类似地，可获得其他纯度所对应的第一吸光度比值和第二吸光度比值，从而可建立第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表和第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应表。

通过上述示例可知，通过吸收光谱与场效应晶体管结合，建立了第一吸光度比值和第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管纯度的一一对应关系，避免了每次测试都用到复杂的电学测试手段，并且第一吸光度比值可以高于0.001％的精度准确表示半导体性单壁碳纳米管的纯度，以及第二吸光度比值可以高于0.0001％的精度准确表示半导体性单壁碳纳米管的纯度。

图3示例性地示出了根据本公开实施方式的半导体性单壁碳纳米管薄膜的另一吸收光谱。图3示出了两种半导体性单壁碳纳米管薄膜的吸收光谱曲线。从图3中的一个吸收光谱曲线可得到第一吸光度比值为5.63，第二吸光度比值为1.2350；图3中的另一吸收光谱曲线可得到第一吸光度比值也为5.63，第二吸光度比值为1.2598，而这两个吸收光谱曲线所对应的半导体性单壁碳纳米管薄膜具有不同的半导体性碳纳米管纯度，由此可见第二吸光度比值的精度高于第一吸光度比值的精度。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (8)

1.一种半导体性单壁碳纳米管的纯度测量方法，其特征在于，所述方法包括：

使用半导体性单壁碳纳米管样品形成半导体性单壁碳纳米管溶液；

测量所述半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱；以及

基于所述吸收光谱中的极值确定出所述半导体性单壁碳纳米管样品的纯度，

其中基于所述吸收光谱中的极值确定出所述半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤包括：

通过所述吸收光谱计算出第二吸光度比值；以及

基于所述第二吸光度比值，确定出所述半导体性单壁碳纳米管样品的纯度，所述第二吸光度比值为所述吸收光谱中S₂₂区中的吸光度最大值与所述S₂₂区中除所述吸光度最大值之外的吸光度极大值之间的比值，或所述吸收光谱中S₁₁区中的吸光度最大值与所述S₁₁区中除所述吸光度最大值之外的吸光度极大值之间的比值，

其中所述基于所述吸收光谱中的极值确定出所述半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤还包括：

通过所述吸收光谱计算出第一吸光度比值；以及

基于所述第一吸光度比值，确定出所述半导体性单壁碳纳米管样品的纯度，所述第一吸光度比值为所述吸收光谱中S₂₂区中的吸光度最大值或S₁₁区中的吸光度最大值与M₁₁区中的吸光度最小值之间的比值。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述使用半导体性单壁碳纳米管样品形成半导体性单壁碳纳米管溶液的步骤包括：

将所述半导体性单壁碳纳米管样品溶解在水或有机溶剂中，以形成所述半导体性单壁碳纳米管溶液。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第一吸光度比值，确定出所述半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤包括：

基于预先确定的所述第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系，确定出与所述第一吸光度比值相对应的所述半导体性单壁碳纳米管的纯度。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述方法还包括：建立第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系，以及

所述基于所述第一吸光度比值，确定出所述半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤包括：根据所述对应关系，确定出与所述第一吸光度比值对应的半导体性单壁碳纳米管的纯度。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述建立第一吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系的步骤包括：

使用多个半导体性单壁碳纳米管样品形成多个半导体性单壁碳纳米管溶液，所述多个半导体性单壁碳纳米管样品具有不同的纯度；

测量所述多个半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱，以确定出多个第一吸光度比值；以及

基于所述多个第一吸光度比值与所述多个半导体性单壁碳纳米管样品的不同的纯度建立所述对应关系。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述基于所述第二吸光度比值，确定出所述半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤包括：

基于预先确定的所述第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系，确定出与所述第二吸光度比值相对应的所述半导体性单壁碳纳米管的纯度。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述方法包括：建立第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系，以及

所述基于所述第二吸光度比值，确定出所述半导体性单壁碳纳米管样品的纯度的步骤包括：根据所述对应关系，确定出与所述第二吸光度比值对应的半导体性单壁碳纳米管的纯度。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述建立第二吸光度比值与半导体性单壁碳纳米管的纯度的对应关系的步骤包括：

使用多个半导体性单壁碳纳米管样品形成多个半导体性单壁碳纳米管溶液，所述多个半导体性单壁碳纳米管样品具有不同的纯度；

测量所述多个半导体性单壁碳纳米管溶液的吸收光谱，以确定出多个第二吸光度比值；以及

基于所述多个第二吸光度比值与所述多个半导体性单壁碳纳米管样品的不同的纯度建立所述对应关系。

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