JP2014503445A - 半導体性炭素ナノチューブの選択的分離方法、半導体性炭素ナノチューブの分散液、及び該方法で分離した炭素ナノチューブを含む電子素子 - Google Patents

半導体性炭素ナノチューブの選択的分離方法、半導体性炭素ナノチューブの分散液、及び該方法で分離した炭素ナノチューブを含む電子素子 Download PDF

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Abstract

実施形態によれば、溶媒、炭素ナノチューブ及び分散剤を含む混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階を含み、炭素ナノチューブは、半導体性炭素ナノチューブを含み、分散剤がチオフェン環、及びチオフェン環に連結された炭化水素側鎖を含むポリチオフェン誘導体を含む。炭化水素側鎖は、炭素数７以上を含むアルキル基を含む。炭化水素側鎖が立体規則的に配列され、混合液から半導体性炭素ナノチューブが選択的に分離される。電子素子は、半導体性炭素ナノチューブ及びポリチオフェン誘導体を含む。

Description

本出願は、２０１０年１１月１日付けで、米国特許商標庁（ＵＳ Patent and Trademark Office）に出願されたアメリカ仮出願第６１／４０８，８０５号の優先権を主張し、その全ての開示は参照によって、本明細書に統合される。
本発明は、ポリチオフェン誘導体を使用して、半導体性炭素ナノチューブ（ＣＮＴ：carbon nanotube）を選択的に分離する方法、半導体性炭素ナノチューブの分散液、及び／または該方法で分離した半導体性炭素ナノチューブを含む電子素子に関する。
炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）は、異方性であり、多様な構造を有することができる。例えば、炭素ナノチューブは、単一壁（single-walled）、多重壁（multi-walled）または束（bundled）である。炭素ナノチューブは、ｎｍの直径を有する。
炭素ナノチューブは、炭素原子の六角形ハニカムと類似した環（honeycomb-like ring）が巻きつけられるパターンによって、半導体または金属の性質を有する。炭素ナノチューブは、その直径によって、異なるエネルギーギャップを有する。炭素ナノチューブは、準一次元的エネルギースペクトル（quasi-one-dimensional energy spectra）を有しており、特異な量子効果を示すことができる。
炭素ナノチューブは、多様な目的のために使用され、その用途によって、金属性（metallic）炭素ナノチューブまたは半導体性（semiconducting）炭素ナノチューブに分類される。例えば、常温で動作する薄膜トランジスタを含み、半導体性炭素ナノチューブが薄膜トランジスタに使用される。
一般的な半導体性炭素ナノチューブを分離及び／または精製する方法は、低い分離及び／または精製の収率を有し、例えば、添加剤を除去するために、後処理工程（post-process）を必要とする。その結果、一般的な半導体性炭素ナノチューブを分離及び／または精製する方法は、量産に適用し難いのである。
本発明において、高収率で簡単に半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離することができる方法が提供される。
本発明において、該方法で分離した半導体性炭素ナノチューブを含む電子素子が提供される。
本発明において、半導体性炭素ナノチューブを含む高収率の炭素ナノチューブ分散液が提供される。
一実施形態は、半導体性炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）を選択的に分離する方法に係わるものである。
一実施形態は、前述の方法で分離した半導体性炭素ナノチューブを含む電子素子に係わるものである。
一実施形態は、高収率の半導体性炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液に係わるものである。
一実施形態によれば、１つの方法は、溶媒、炭素ナノチューブ及び分散剤を含む混合液で、前記炭素ナノチューブを分散させる段階を含み、前記炭素ナノチューブは、半導体性炭素ナノチューブを含む。
前記分散剤は、チオフェン環と、前記チオフェン環に連結された炭化水素側鎖とを含むポリチオフェン誘導体を含み、前記炭化水素側鎖は、炭素数７以上を含むアルキル基を含み、かつ前記炭化水素側鎖が立体規則的に配列され、かつ前記混合液から、半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離する段階を含む。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（１）で表示される：
前記化学式（１）で、
Ｒは、Ｃ７−Ｃ５０アルキル基であり、
Ｒ１及びＲ２は、互いに独立して、水素、ハロゲン、メチル及びハロメチルのうち一つであり、
ｌは、１ないし４０，０００の整数、及び／または１ないし１０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（２），（３）及び（４）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｓ、ｔ及びｕは、互いに独立して、１ないし４０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（５），（６）及び（７）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｐ、ｑ及びｒは、互いに独立して、１ないし１０，０００の整数である。
前記炭素ナノチューブの直径は、３ｎｍ以下であってもよい。前記炭素ナノチューブの直径は、約０．７ｎｍないし約３ｎｍであってもよい。前記炭素ナノチューブは、単一壁炭素ナノチューブ、二重壁炭素ナノチューブ、多重壁炭素ナノチューブ及び束型炭素ナノチューブ、またはそれらの組み合わせである。
前記溶媒は、有機溶媒であってもよい。前記炭素ナノチューブは、有機溶媒で、約１０ｍｇ／Ｌ未満の溶解度を有する。前記有機溶媒は、クロロホルム、ジクロロエタン、トルエン、キシレン、デカリン（decalin）、メシチレン（ｍｅｓｉｔｙｌｅｎｅ）、ヘキサン及びテトラヒドロフランのうち少なくとも一つを含んでもよい。
前記混合液は、炭素ナノチューブに対する分散剤の重量比が、約１０：１ないし約１：１０であるものを含んでもよい。
前記混合液で、分散剤の含量が溶媒全容量を基準に、約０．１ｍｇ／ｍｌないし約１ｍｇ／ｍｌであってもよい。
前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階が、およそ−４０℃ないし約９０℃で遂行される。前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階が、およそ−２０℃ないし約９０℃で遂行される。
前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階が、約２０℃ないし約８０℃で遂行される。前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階が、約４０℃ないし約７０℃で遂行される。
前記混合液から、半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離する段階が、前記混合液から遠心分離によって分散された半導体性炭素ナノチューブを含む上澄み液を分離する段階を含んでもよい。
前記上澄み液で半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量を基準に、７５重量％以上であってもよい。前記上澄み液で半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９重量％以上であってもよい。
前記上澄み液で半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９．５重量％以上であってもよい。前記上澄み液で半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９．９重量％以上であってもよい。
前記混合液で、分散された炭素ナノチューブは、金属性特性を有する炭素ナノチューブをさらに含んでもよい。前記方法は、前記混合液から金属性特性を有する炭素ナノチューブを選択的に分離する方法をさらに含んでもよい。
一実施形態によれば、電子素子は、半導体性炭素ナノチューブ、及びポリチオフェン誘導体を含み、前記ポリチオフェン誘導体は、チオフェン環、及び前記チオフェン環に連結された炭化水素側鎖を含み、前記炭化水素側鎖は、炭素数７以上を含むアルキル基を含み、かつ前記炭化水素側鎖が立体規則的に配列される。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（１）で表示される：
前記化学式（１）で、
Ｒは、Ｃ７−Ｃ５０アルキル基であり、
Ｒ１及びＲ２は、互いに独立して、水素、ハロゲン、メチル及びハロメチルのうち一つであり、
ｌは、１ないし４０，０００の整数、及び／または１ないし１０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（２），（３）及び（４）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｓ、ｔ及びｕは、互いに独立して、１ないし４０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（５），（６）及び（７）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｐ、ｑ及びｒは、互いに独立して、１ないし１０，０００の整数である。
前記半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量の７５重量％以上であってもよい。前記半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量の９９重量％以上であってもよい。
前記半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量の９９．５重量％以上であってもよい。前記半導体性炭素ナノチューブの含量が炭素ナノチューブ全重量の９９．９重量％以上であってもよい。
前記電子素子は、トランジスタ、太陽電池、光検出器（photo detector）、光伝導体（photoconductor）、電極及びフレキシブル電子素子（flexible electronics）のうち一つを含んでもよい。
前記電子素子は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含み、前記薄膜トランジスタの正孔移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、点滅電流比（on/off current ratio）が１０６以上であってもよい。
一実施形態によれば、分散液は、ポリチオフェン誘導体及び炭素ナノチューブを含み、前記ポリチオフェン誘導体は、アルキル基と連結されたチオフェン環を含み、前記アルキル基は、炭素数７以上を含み、かつ前記アルキル基が立体規則的に配列されたものを含む。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（１）で表示される：
前記化学式（１）で、
Ｒは、Ｃ７−Ｃ５０アルキル基であり、
Ｒ１及びＲ２は、互いに独立して、水素、ハロゲン、メチル及びハロメチルのうち一つであり、
ｌは、１ないし４０，０００の整数、及び／または１ないし１０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（２），（３）及び（４）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｓ、ｔ及びｕは、互いに独立して、１ないし４０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（５），（６）及び（７）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｐ、ｑ及びｒは、互いに独立して、１ないし１０，０００の整数である。
分散液は、半導体性炭素ナノチューブを含み、前記半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量を基準に、７５重量％以上であってもよい。
前記半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９重量％以上であってもよい。前記半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９．５重量％以上であってもよい。
前記半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量の９９．９重量％以上であってもよい。
追加的な側面は、下記の発明の詳細な説明で一部説明し、一部は、発明の詳細な説明から明白であったり、あるいは実施形態を実行することにより、分かるであろう。
高収率で簡単に半導体性炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）を選択的に分離する方法が提供される。向上した電気的特性を有する半導体性炭素ナノチューブを含む電子素子が提供される。半導体性炭素ナノチューブを含む高収率の炭素ナノチューブ分散液が提供される。
実施例１，１０及び１９、並びに比較例１〜３で製造された炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）分散液のＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ（ultraviolet-visible-near infrared）吸収スペクトルの三次元グラフである。 実施例１９及び２２〜２７で分離した上澄み液（supernatant）のＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ吸収スペクトルの二次元（２Ｄ）グラフである。 実施例１９〜２７で分離した上澄み液の１２８８ｎｍでの吸収強度の二次元グラフである。 ２．３３ｅＶ（５３２ｎｍ）の励起エネルギーで観察された遠心分離前後の実施例１９の炭素ナノチューブ分散液のラマンスペクトルのグラフである。 １．９６ｅＶ（６３３ｎｍ）の励起エネルギーで観察された遠心分離前後の実施例１９の炭素ナノチューブ分散液のラマンスペクトルのグラフである。 １．５８ｅＶ（７８５ｎｍ）の励起エネルギーで観察された遠心分離前後の実施例１９の炭素ナノチューブ分散液のラマンスペクトルのグラフである。 実施例１９で製造された炭素ナノチューブ分散液から分離した半導体性炭素ナノチューブを使用して製造された薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の概路図である。 実施形態による薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）の概路図である。 実施例１９の薄膜トランジスタのＩＤＳ対比ＶＧＳのグラフである。 実施例１９の薄膜トランジスタの出力曲線（output curve）を示したグラフである。 一実施形態による太陽電池の概路図である。 一実施形態による太陽電池の概路図である。
実施形態は、添付図面と係わってさらに十分に記載し、ここに一部実施形態が示される。実施形態は、多くの異なる形態に具体化されるが、本明細書で説明された実施形態に制限されるものであると解釈されてはならず、むしろ、かような実施形態は、かような開示が徹底したものであって完全なものとなり、当業者に実施形態の概念を十分に伝達するように提供される。図面で、層及び領域の厚みは、明瞭性を目的として誇張される。図面で参照符号は、構成要素のように示し、それに係わる説明は省略する。
一構成要素が異なる構成要素に「連結された（connected）」または「結合された（coupled）」ということを示すとき、それは、他の構成要素に直接的に連結されたり、結合されたり、あるいは媒介する（invervening）構成要素が存在する。一方、一構成要素が他の構成要素に「直接的に連結される」または「直接的に結合される」ということを示すとき、媒介する構成要素が存在しない。本明細書で使用された用語「及び／または」は、一つ以上の関連したリストされた（listed）項目のうちいずれか、及び全ての組み合わせを含む。構成要素または層の間での関連性を記載するのに使用される他の用語は、流行している方式のように解釈されなければならない（例えば、「間に（between）」対代「直接的に間に（directly between）」；「隣接する（adjacent）」対「直接的に隣接する（directly adjacent）」；「上に（on）」対「直接的に上に（directly on）」）。
本明細書で使用された用語は、記載する特別な実施形態のみを目的にして実施形態を制限することを意味するものではない。本明細書で使用されているように、単数形態「一つ（ａ，ａｎ）」及び「前記（the）」は、複数の形態も含むということを意味する。用語「からなる（comprise）」、「からなるところの（comprising）」、「含む（include）」、及び／または「含むところの（including）」は、本明細書で使用されるとき、明示された特徴、整数、段階、作動、構成要素及び／または構成成分の存在を具体的に明示するが、一つ以上の他の特徴、整数、段階、作動、構成要素、構成成分、及び／またはそれら集団の存在あるいは付加を排除するものではないと理解される。
本明細書で実施形態は、実施形態の理想化された実施形態（及び中間構造）の概略的な例示である断面的な例示と係わって記載する。それにより、例えば、製造技術及び／または許容誤差の結果として例示の形態からの変形例が期待される。このように、実施形態は、本明細書で例示される領域の特別な形状に制限されるものであると解釈されてはならないが、例えば、製造から生じた形状における変形を含む。
取り分けて定義されるものではないならば、本明細書で使用された全ての用語（技術的用語及び科学的用語を含み）は、実施形態が属する分野で当業者によって、一般的に理解される意味と同一の意味を有する。一般的に使用される辞書で定義されたような用語は、関連分野の文脈で、それらの意味と一致する意味を有すると解釈されなければならず、本明細書で、そのように表現されない限り、理想化されたり、あるいは過度に形式的な意味に解釈されるものではない。
一実施形態によれば、方法は、溶媒、炭素ナノチューブ（ＣＮＴ）及び分散剤を含む混合液で、前記炭素ナノチューブを分散させる段階と、前記混合液から、半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離する段階と、を含み、前記炭素ナノチューブは、半導体性（semiconducting）炭素ナノチューブを含み、前記分散剤が、チオフェン環、及び前記チオフェン環に連結された炭化水素側鎖を含むポリチオフェン誘導体を含み、前記炭化水素側鎖は、炭素数７以上を含むアルキル基を含み、かつ前記炭化水素側鎖が立体規則的に配列される。前記ポリチオフェン誘導体が、半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離することができる理由について、さらに具体的に以下で説明する。しかし、かような説明は、本発明の理解を助けるためのものであり、実施形態の範囲として制限されるものではない。
ポリチオフェン誘導体は、π−共役構造を有する共役高分子（conjugated polymer）であり、炭素ナノチューブ、例えば、炭素ナノチューブのｓｐ２炭素原子と、ポリチオフェン誘導体の炭化水素基のπ電子との間に強い相互作用を行い、π−π結合を形成する。かようなポリチオフェン誘導体が自己組み立て（self-assembled）され、チオフェン環に連結された炭化水素側鎖が互いに組み合い（interdigitated）、超分子構造になる。
前記ポリチオフェン誘導体で、炭化水素側鎖が立体規則的に配列されることにより、特定の表面配列状態を有するが、炭素ナノチューブの結着性（binding properties）を向上させた特定物性を有する炭素ナノチューブが提供される。結果的に、前記炭化水素側鎖が立体規則的に配列されたポリチオフェン誘導体を使用することにより、高収率の半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離することができる。
前記ポリチオフェン誘導体は、導電性を有するので、従来の絶縁性界面活性剤または絶縁性高分子を、炭素ナノチューブ分散液からさらに除去する工程なしにも、高収率の半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離することができる。
前記「立体規則的（regioregular）に配列された」ということは、チオフェン環、及び前記環に連結された炭化水素側鎖を含む反復単位で、置換基が前記チオフェン環の特定位置にのみ置換されることにより、空間的に一定方向に配位されることを意味する。前記「立体規則的に配列された」に比べて、空間不規則的（regiorandom）配列は、前記炭化水素鎖が、前記チオフェン環にランダムに、位置に係わりなく置換される場合をいい、前記炭化水素側鎖がさまざまな方向に空間不規則的に配列されることになる。
前記空間不規則的に配列された炭化水素側鎖の立体的力（steric force）のために、炭化水素側鎖またはチオフェン環が傾き（tilt）、炭素ナノチューブに対するチオフェン環の吸着性が低下してしまうからである。
一実施形態によれば、選択的に、半導体性炭素ナノチューブを分離する方法に使用された分散剤は、ポリチオフェン誘導体以外に、他の分散剤を、半導体性炭素ナノチューブ分離能が向上する範囲内で追加して含んでもよい。適切な分散剤は、ポリサッカライド（デキストリン）、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、ポリビニルピロリドン（ＰＶＰ）、ポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）及びテトラオクチルアンモニウムブロミド（ＴＯＡＢ）を含む。当該分野で一般的に使用される全ての適切な分散剤が使用されてもよい。
前記分散剤に追加し、分離能を向上させることができる添加剤がさらに使用されてもよい。適切な添加剤の例は、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）である。かような目的で、当該分野で一般的に使用される全ての適切な添加剤が使用されてもよい。
一実施形態によれば、前述の方法で、分散剤、炭素ナノチューブ及び溶媒の混合液を準備するとき、それらを投入する手順に無関係に、分散剤及び炭素ナノチューブを同時に投入したり、あるいは順次に溶媒に投入することができる。
一実施形態によれば、前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階で、超音波分散器（sonicator）、ブレンダ（blender）、または機械的ミキサのようなミキサを使用することができるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。炭素ナノチューブの凝集を破壊及び／または実質的に制限する方法であるならば、いかなる適切な分散方法でも使用される。
超音波分散器を使用する場合、分散時間は、約３０分ないし約２０時間、または約３０分ないし約１０時間、または約３０分ないし約５時間であるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。加えられる超音波の出力は、最大振幅（amplitude）のおよそ７０％ないし約７５％の範囲である。
一実施形態によれば、前記炭素ナノチューブが分散された混合液から、半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離する段階は、遠心分離によって遂行される。しかし、当該分野で使用される全ての適切な方法が使用されてもよい。前記遠心分離は、約２１，０００Ｇないし約２５，０００Ｇで、約０．５時間ないし約２時間行われる。前記遠心分離は、低速から高速に変化させていき、多段階に行われる。前記遠心分離は、約１３，０００ｒｐｍないし約１７，０００ｒｐｍで行われる。
一実施形態によれば、前記ポリチオフェン誘導体は、少なくとも１０反復単位を含む。前述のように、前記反復単位を含むポリチオフェン誘導体は、半導体性炭素ナノチューブを非常に良好に分離させるように、十分に半導体性炭素ナノチューブを覆い包むことができる。
一実施形態によれば、前記炭化水素側鎖は、炭素数７ないし５０であり、炭素数７ないし３０であり、炭素数１０ないし３０であるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。前記炭化水素側鎖の炭素数個数が、前記範囲内である場合、前記ポリチオフェン誘導体は、柔軟性を維持しながら、超分子的組み立てを形成することができる。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（１）で表示される：
前記化学式（１）で、Ｒは、Ｃ７−Ｃ５０アルキル基、Ｃ７−Ｃ３０アルキル基、Ｃ１０−Ｃ３０アルキル基のうち一つであるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。Ｒ１及びＲ２は、互いに独立して、水素、ハロゲン、メチル基及びハロメチル基のうち一つである。ｌは、１ないし４０，０００の整数、及び／または１ないし１０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（２）ないし（４）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｓ、ｔ及びｕは、互いに独立して、１ないし４０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（５）ないし（７）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｐ、ｑ及びｒは、互いに独立して、１ないし１０，０００の整数である。
前記炭素ナノチューブの直径は、３ｎｍ以下であってもよい。前記炭素ナノチューブの直径は、約０．７ｎｍないし約３ｎｍであり、約０．８ｎｍないし約３ｎｍであり、約０．８５ｎｍないし約３ｎｍである。
炭素ナノチューブの直径が前記範囲内である場合、前記半導体性炭素ナノチューブは、選択性を有し、これを、薄膜トランジスタのような電子素子に応用する場合、正孔移動度（hole mobility）及び点滅電流比（on/off current ratio）が改善される。半導体性炭素ナノチューブが混合液で分離される前、前記混合液で炭素ナノチューブは、少なくとも１種以上の単一壁炭素ナノチューブ、二重壁炭素ナノチューブ、多重壁炭素ナノチューブ及び束型炭素ナノチューブを含む。しかし、前記混合液で、炭素ナノチューブは、当該分野で使用される全ての種類の炭素ナノチューブを含んでもよい。一実施形態によれば、半導体性炭素ナノチューブが混合液で分離する前、前記混合液で炭素ナノチューブは、ＨｉＰＣＯ（high-pressure ＣＯ）炭素ナノチューブを含んでもよい。
かような炭素ナノチューブは、電気放電法、熱分解法、レーザ蒸着法、プラズマ化学気相蒸着法、熱化学気相蒸着法及び電気分解方法を利用して合成されもする。しかし、炭素ナノチューブを合成するために、当該分野で使用される全ての適切な方法が使用されてもよい。
一実施形態で、前記半導体性炭素ナノチューブの選択的分離方法での溶媒は、有機溶媒を含んでもよい。しかし、当該技術分野で使用される全ての適切な溶媒が使用されてもよい。
前記炭素ナノチューブは、有機溶媒で、約１０ｍｇ／Ｌ未満の溶解度を有したり、あるいは有機溶媒で、約５ｍｇ／Ｌ未満の溶解度を有することができるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。
適切な有機溶媒は、クロロホルム、ジクロロエタン、トルエン、キシレン、デカリン（decalin）、メシチレン、ヘキサン、テトラヒドロフランを含む。かような有機溶媒は、単独で、または２以上を組み合わせて使用されてもよい。
前記混合液で、炭素ナノチューブに係わる分散剤の重量比が、約１０：１ないし約１：１０であり、約３：１ないし約１：３であり、約３：１ないし約０．７５：１であるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。前記炭素ナノチューブに係わる分散剤の混合重量比が、前記範囲内にある場合、前記炭素ナノチューブは、さらに効果的に分散され、分離収率が向上するのである。また、例えば、絶縁性分散剤を除去するような追加的な後処理工程を必要としない。
前記混合液で分散剤含量は、溶媒全容量を基準に、約０．１ｍｇ／ｍｌないし約１ｍｇ／ｍｌであり、約０．０５ｍｇ／ｍｌないし約１ｍｇ／ｍｌであってもよい。前記炭素ナノチューブの含量は、溶媒全容量を基準に、約０．０１ｍｇ／ｍｌないし約１ｍｇ／ｍｌであり、約０．００５ｍｇ／ｍｌないし約１ｍｇ／ｍｌであるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。
前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階は、およそ−４０℃ないし約９０℃の温度で遂行され、およそ−２０℃ないし約９０℃の温度で遂行される。例えば、前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階は、約２０℃ないし約８０℃の温度で遂行され、約４０℃ないし約７０℃の温度で遂行されるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。
前記炭素ナノチューブがかような温度範囲内で分散する場合、前記ポリチオフェン誘導体の炭化水素側鎖が溶融され、柔軟性を維持しながら、超分子組み立てを形成することができる。前記炭素ナノチューブが分散される場合、高分子主鎖の立体構造が、所望する立体規則的な配列状態を有するように調節され、前記半導体性炭素ナノチューブの選択的分離が可能になる。
前記混合液から、半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離する段階が、前記混合液から、遠心分離によって分散された半導体性炭素ナノチューブを含む上澄み液を分離する段階を含んでもよい。前記上澄み液は、分散されていない炭素ナノチューブのパウダーやバンドルを遠心分離によって沈澱させて除去し、完全に分散された炭素ナノチューブのみを含む。
一実施形態によれば、前記上澄み液で、半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量を基準に、７５重量％以上、及び／または９９重量％以上、及び／または９９．５重量％以上、及び／または９９．９重量％以上の半導体性炭素ナノチューブである。
一実施形態によれば、金属性炭素ナノチューブ及び半導体性炭素ナノチューブを含む分散液を、約２５，０００Ｇで２時間遠心分離した後、上澄み液を分離することができる。
一実施形態によれば、前記上澄み液を除いた残りの分散液は、前記残りの分散液全重量を基準に、金属性炭素ナノチューブ７５重量％以上、及び／または前記残りの分散液全重量を基準に、金属性炭素ナノチューブ９９重量％以上、及び／または前記残りの分散液全重量を基準に、金属性炭素ナノチューブ９９．５重量％以上、及び／または金属性炭素ナノチューブ９９．９重量％以上を含んでもよい。
一実施形態によれば、半導体性炭素ナノチューブの選択的分離方法によって、金属性炭素ナノチューブがさらに選択的に分離される。かような金属性炭素ナノチューブは、電極に使用され、前記電極は、透明であって伝導性があるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。
一実施形態によれば、電子素子は、半導体性炭素ナノチューブ、及びポリチオフェン誘導体を含み、前記ポリチオフェン誘導体は、チオフェン環、及び前記チオフェン環に連結された炭化水素側鎖を含み、前記炭化水素側鎖は、炭素数７以上を含むアルキル基を含み、かつ前記炭化水素側鎖が立体規則的に配列される。
前記半導体性炭素ナノチューブは、半導体性炭素ナノチューブの特性によって、電荷発生（charge generation）及び電荷輸送（charge transport）にさらに使用される。
前記ポリチオフェン誘導体は、自己組み立てが可能であり、チオフェン環に連結された炭化水素側鎖が互いに組み合わさり（interdigitated）、超分子構造を形成することができ、炭素ナノチューブの選択的分散のために、共役系高分子構造である。これによって、界面活性剤や、使用された高分子を除去する追加工程なしにも、電子ドナー（donor）として使用される。また、前記電子素子は、非常に高収率の、選択的に分離された半導体性炭素ナノチューブを含んでもよい。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（１）で表示される：
前記化学式（１）で、Ｒは、Ｃ７−Ｃ５０アルキル基、Ｃ７−Ｃ３０アルキル基、Ｃ１０−Ｃ３０アルキル基のうち一つであるが、それらに制限されるものではない。
Ｒ１及びＲ２は、互いに独立して、水素、ハロゲン、メチル及びハロメチルのうち一つである。ｌは、１ないし４０，０００の整数、及び／または１ないし１０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（２）ないし（４）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｓ、ｔ及びｕは、互いに独立して、１ないし４０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（５），（６）及び（７）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｐ、ｑ及びｒは、互いに独立して、１ないし１０，０００の整数である。
前記半導体性炭素ナノチューブを含む電子素子において、前記半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量を基準に、７５重量％以上、９９重量％以上、９９．５重量％以上、及び９９．９重量％以上であるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。
前記電子素子は、トランジスタ、太陽電池、光検出器（photodetector）、光伝導体（photoconductor）、電極、またはフレキシブル電子素子（flexible electronics）を含んでもよい。一実施形態によれば、前記電子素子は、薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）である。
図７Ａ及び図７Ｂは、一実施形態による薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を示している。図７Ａ及び図７Ｂを参照すれば、一実施形態による薄膜トランジスタは、基板、ゲート電極（gate electrode）、誘電体層のような絶縁層、絶縁層上に離隔されて配列されたソース電極（source electrode）並びにドレイン電極（drain electrode）、及び前記ソース／ドレイン電極を連結する半導体チャネルを含んでもよい。
図７Ａを参照すれば、薄膜トランジスタは、チャネル、ソース電極並びにドレイン電極、前記ゲート電極上の絶縁層、及び前記基板上のゲート電極を含んでもよい。図７Ｂを参照すれば、薄膜トランジスタは、基板上に、ソース電極並びにドレイン電極、前記ソース電極並びにドレイン電極を連結するチャネル、前記チャネル上の誘電体層、及び前記チャネル層上のゲート電極を含んでもよい。
前記基板は、シリコン、ガラス、溶融シリカ、石英、プラスチック、ＰＭＳ（polydimethylsiloxane）及びそれらの組み合わせのような、各種不導体性ポリマーでからなる材料を含んでもよいが、実施形態は、それらに制限されるものではない。
前記絶縁層は、電気的絶縁材料を含んでもよい。適切な電気的絶縁材料は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、テフロン（登録商標）、ポリジメチルメタクリレート及びポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含んでもよいが、実施形態は、それらに制限されるものではない。前記絶縁層は、半導体チャネルの上下、または横の一部分に配置されてもよい。
前記ソース電極とドレイン電極は、金、銀、チタンまたは白金を含んでもよいが、実施形態は、それらに制限されるものではない。
前記半導体チャネルは、前述の方法を使用して分離された高純度の半導体性炭素ナノチューブを含んでもよい。
前記半導体性炭素ナノチューブを含む薄膜トランジスタは、さらなる後処理工程や熱処理工程なしにも、高い正孔移動度と高い点滅電流比とを有する。
一実施形態によれば、薄膜トランジスタの正孔移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、点滅電流比（on/off current ratio）が１０６以上である。
図８は、実施例１９の薄膜トランジスタの、ＩＤＳ対比ＶＧＳのグラフである。図９は、実施例１９の薄膜トランジスタの出力曲線（output curve）を示したグラフである。
前記正孔移動度は、下記のように、図８及び図９で、リニア領域（linear region）に記載される：
ここで、μは、正孔移動度であり、Ｃｉは、単位面積当たりゲート絶縁体容量であり、Ｌ、Ｗは、チャネルの距離及び幅である。前記Ｃｉ、Ｌ及びＷは、薄膜トランジスタから得られる。ＩＤＳ、ＶＧＳ及びＶＤＳは、図８及び図９で表示されている。
図９を参照すれば、ＩＤＳは、ＶＧＳが２０Ｖ以上であるとき、おおよそ０である。これは、「スイッチトオフ（switched-off）」を意味する。ＩＤＳは、ＶＧＳが減少するときに減少する。すなわち、ＩＤＳの絶対値は、ＶＧＳが減少するときに増加する。これは、薄膜トランジスタの抵抗と共に、「スイッチトオン（switched-on）」を示す。
前記点滅電流比は、スイッチトオン／スイッチトオフ電流比である。前記点滅電流比は、与えられたＶＤＳで、ＶＧＳ／ｏｆｆ、ＶＧＳ／ｏｎであるとき、ＩＤＳ／ｏｎ／ＩＤＳ／ｏｆｆである。前記ＩＤＳ／ｏｆｆは、スイッチトオフで、ＩＤＳである。前記ＩＤＳ／ｏｎは、スイッチトオンで、ＩＤＳである。前記ＶＤＳ／ｏｆｆは、スイッチトオフで、ＶＤＳである。前記ＶＤＳ／ｏｎは、スイッチトオンで、ＶＤＳである。
一実施形態によれば、炭素ナノチューブ分散液は、ポリチオフェン誘導体及び炭素ナノチューブを含み、前記ポリチオフェン誘導体は、アルキル基と連結されたチオフェン環を含み、前記アルキル基は、炭素数７以上を含み、かつ前記アルキル基が立体規則的に配列されたものを含む。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（１）で表示される：
前記化学式で、
Ｒは、Ｃ７−Ｃ５０アルキル基、Ｃ７−Ｃ３０アルキル基、Ｃ１０−Ｃ３０アルキル基のうち一つであるが、実施形態は、それらに制限されるものではない。
Ｒ１及びＲ２は、互いに独立して、水素、ハロゲン、メチル及びハロメチルのうち一つである。ｌは、１ないし４０，０００の整数、及び／または１ないし１０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（２），（３）及び（４）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｓ、ｔ及びｕは、互いに独立して、１ないし４０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（５），（６）及び（７）のうち一つで表示される：
前記化学式で、ｐ、ｑ及びｒは、互いに独立して、１ないし１０，０００の整数である。
前記ポリチオフェン誘導体の反復単位の数が、前述の範囲内である場合、半導体性炭素ナノチューブは、前記分散剤の含量を使用して、選択的に分離される。
前記半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量の７５重量％以上であってもよい。前記半導体性炭素ナノチューブの含量は、炭素ナノチューブ全重量の９９重量％以上、９９．５重量％以上、及び９９．９重量％以上である。
半導体性炭素ナノチューブを含む分散液は、半導体性炭素ナノチューブのみを１００％及び／または約１００％純度で含んでもよい。
前記ポリチオフェン誘導体は、例えば、マッカルー法（McCullough method）またはリーケ法（Rieke method）を利用して合成することができる。しかし、前記ポリチオフェン誘導体を合成するために、当該分野で一般的に使用される全ての適切な方法が使用されてもよい。
以下、１以上の実施形態について、下記実施例と係わってさらに詳細に記載する。かような実施例は、実施形態の目的及び範囲を制限するものではない。
（実施例１）
分散剤として、立体規則性ポリ（３−オクチルチオフェン）（Sigma−Aldrich Ｃｏ．社製）１０ｍｇをトルエン２５ｍＬに入れて溶解し、この溶液に単一壁炭素ナノチューブ（ＨｉＰＣＯ ＳＷＮＴ、Ｕｎｉｄｙｍ社製）５ｍｇを添加して混合液を得た。前記単一壁炭素ナノチューブは、超音波分散器（sonic bath）内に、５０℃で、最大振幅の７０％で３０分間分散させ、金属性単一壁炭素ナノチューブ及び半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む分散液を得た。前記生成された分散液を、約２５，０００Ｇで２時間遠心分離した後、上澄み液（supernatant）を分離し、前記上澄み液を、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液として使用した。
（実施例２）
前記単一壁炭素ナノチューブを−４０℃で分散させることを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例３）
前記単一壁炭素ナノチューブを−３０℃で分散させることを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例４）
前記単一壁炭素ナノチューブを１５℃で分散させることを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例５）
前記単一壁炭素ナノチューブを２０℃で分散させることを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例６）
前記単一壁炭素ナノチューブを４０℃で分散させることを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例７）
前記単一壁炭素ナノチューブを６０℃で分散させることを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例８）
前記単一壁炭素ナノチューブを７０℃で分散させることを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例９）
前記単一壁炭素ナノチューブを９０℃で分散させることを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例１０）
分散剤として、立体規則性ポリ（３−デシルチオフェン）（Sigma−Aldrich Ｃｏ．社製）を使用して金属性単一壁炭素ナノチューブ及び半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む分散液を得て、その後、遠心分離して半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得たことを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例１１）
前記単一壁炭素ナノチューブを−４０℃で分散させることを除き、実施例１０と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例１２）
前記単一壁炭素ナノチューブを−３０℃で分散させることを除き、実施例１０と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例１３）
前記単一壁炭素ナノチューブを１５℃で分散させることを除き、実施例１０と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例１４）
前記単一壁炭素ナノチューブを２０℃で分散させることを除き、実施例１０と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例１５）
前記単一壁炭素ナノチューブを４０℃で分散させることを除き、実施例１０と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例１６）
前記単一壁炭素ナノチューブを６０℃で分散させることを除き、実施例１０と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例１７）
前記単一壁炭素ナノチューブを７０℃で分散させることを除き、実施例１０と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例１８）
前記単一壁炭素ナノチューブを９０℃で分散させることを除き、実施例１０と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例１９）
分散剤として、立体規則性ポリ（３−ドデシルチオフェン）（Sigma−Aldrich Ｃｏ．社製）を使用して金属性単一壁炭素ナノチューブ及び半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む分散液を得て、その後、遠心分離して半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得たことを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。前記炭素ナノチューブ分散液のカラーは、暗い褐色を示した。
（実施例２０）
前記単一壁炭素ナノチューブを−４０℃で分散させることを除き、実施例１９と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例２１）
前記単一壁炭素ナノチューブを−３０℃で分散させることを除き、実施例１９と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例２２）
前記単一壁炭素ナノチューブを１５℃で分散させることを除き、実施例１９と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例２３）
前記単一壁炭素ナノチューブを２０℃で分散させることを除き、実施例１９と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例２４）
前記単一壁炭素ナノチューブを４０℃で分散させることを除き、実施例１９と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例２５）
前記単一壁炭素ナノチューブを６０℃で分散させることを除き、実施例１９と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例２６）
前記単一壁炭素ナノチューブを７０℃で分散させることを除き、実施例１９と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（実施例２７）
前記単一壁炭素ナノチューブを９０℃で分散させることを除き、実施例１９と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（比較例１）
分散剤として、立体規則性ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Sigma−Aldrich Ｃｏ．社製）を使用して金属性単一壁炭素ナノチューブ及び半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む分散液を得て、その後、遠心分離して半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得たことを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
（比較例２）
分散剤として、下記化学式（８）のポリ（３，３’’’−ジドデシル−クオータ−チオフェン）（Sigma−Aldrich Ｃｏ．社製）を使用して金属性単一壁炭素ナノチューブ及び半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む分散液を得て、その後、遠心分離して半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得たことを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
前記化学式で、ｍは、５０ないし５００の整数である。
（比較例３）
分散剤として、下記化学式（９）の立体規則性ポリ（３−メチル−４−デシル−チオフェン−２，５−ジイル）（Sigma−Aldrich Ｃｏ．社製）を使用して金属性単一壁炭素ナノチューブ及び半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む分散液を得て、その後、遠心分離して半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得たことを除き、実施例１と同一の方法で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を得た。
前記化学式で、ｎは、５０ないし５００の整数である。
炭素ナノチューブ分離収率評価
ＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ吸収スペクトル評価
前記実施例１，１０，１９−２７、及び比較例１〜３で得られた半導体性単一壁炭素ナノチューブを含む炭素ナノチューブ分散液を、ＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ分光器（Varian社製）を使用して、波長の範囲内の吸収強度を測定した。その結果を、図１、図２及び図３に示した。
前記炭素ナノチューブ分散液のＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ吸収スペクトルを示した図１を参照すれば、実施例１，１０，１９の炭素ナノチューブ分散液は、比較例１〜３に比べて、７５０ｎｍないし１，５００ｎｍの近赤外線領域での吸収強度が上昇するということを示し、これは、実施例１，１０及び１９の炭素ナノチューブ分散液が著しく多くの含量の半導体性炭素ナノチューブを含むということを意味する。
図２及び図３を参照すれば、−４０℃ないし９０℃で、ポリチオフェン誘導体、炭素ナノチューブ及び溶媒の混合液の分散を介して得た実施例１９〜２７の半導体性分散液が、含量の多い半導体性炭素ナノチューブを含んでいる。図２は、実施例１９及び２２〜２７で分離した上澄み液のＵＶ−Ｖｉｓ−ＮＩＲ吸収スペクトルの二次元（２Ｄ）グラフである。図３は、実施例１９〜２７で分離した上澄み液の１，２８８ｎｍでの吸収強度の二次元グラフである。
ラマン分光法を利用したラマンスペクトル評価
ラマン分光測定装置（Ｔ．Ｙ．Horriba社製）を利用して、２．３３ｅＶ（５３２ｎｍ）、１．９４ｅＶ（６３３ｎｍ）及び１．５９ｅＶ（７８５ｎｍ）それぞれの励起エネルギー（excitation energy）で遠心分離する前の実施例１９の炭素ナノチューブ分散液、及びこれを２５，０００Ｇで２時間遠心分離した後で得られた上澄み液のラマン分光スペクトルの放射休止モード（ＲＢＭ：radial breathing mode）スペクトルを測定した。その結果を、図４ないし図６に示した。
図４を参照すれば、２．３３ｅＶ（５３２ｎｍ）で励起されるとき、１８０cm−１ないし２８５cm−１の領域でＲＢＭスペクトルを示し、遠心分離する前の分散液で、金属性単一壁炭素ナノチューブの共鳴ピークが示された。しかし、遠心分離によって、分散液から分離した上澄み液から、金属性炭素ナノチューブの共鳴ピークが除去された。
図５を参照すれば、１．９４ｅＶ（６３３ｎｍ）で励起されるとき、１８０cm−１ないし２８５cm−１の領域でＲＢＭスペクトルを示し、遠心分離する前の分散液で、金属性炭素ナノチューブ及び半導体性炭素ナノチューブの共鳴ピークが示された一方、遠心分離によって、分散液から分離した上澄み液から、金属性炭素ナノチューブの共鳴ピークが除去された。
非金属性炭素ナノチューブの共鳴ピークが一般的に現れる２４０cm−１ないし２８５cm−１の領域では、半導体性炭素ナノチューブの共鳴ピークがほぼ維持された。
図６を参照すれば、１．５９ｅＶ（７８５ｎｍ）で励起されるとき、１８０cm−１ないし２８５cm−１の領域で、ＲＢＭスペクトルを示し、遠心分離する前の分散液で、半導体性炭素ナノチューブの共鳴ピークが示された一方、遠心分離によって、分散液から分離した上澄み液で、半導体性炭素ナノチューブの共鳴ピークが維持された。
かような結果に根拠し、遠心分離によって、上澄み液からほぼ完全に除去された金属性炭素ナノチューブを除き、遠心分離した後で得られた上澄み液は、約１００％の高収率で、半導体性単一壁炭素ナノチューブを含むものと理解される。
薄膜トランジスタの正孔移動度及び点滅電流比の評価
ソース電極でとしてのＰｔ、ドレイン電極としてのＴｉ、ゲート電極（ｎ−ドーピングされたＳｉ基板）、及び誘電体層としてのＳｉＯ２（３００ｎｍ厚）でもって、薄膜トランジスタを製造した。
前記ＳｉＯ２絶縁体層の表面は、アミン末端基を含む自己組み立て単分子膜（ＳＡＭ：self assembled monolayer）によって変形された。炭素ナノチューブは、ＳＥＭ（scanning electron microscopy）分析によって観察されたように、前記ソース電極とドレイン電極とのランダムに分布し、平均長さ１．０μｍ±０．１μｍであった。前記炭素ナノチューブを、ソース電極並びにドレイン電極の間にチャネルを形成するのに使用した。前記炭素ナノチューブチャネル内に、平均＞５０炭素ナノチューブ／ｍｍ２を形成し、厚みは２．３ｎｍであった。
図８及び図９を参照すれば、ゲート電極の電圧とドレイン電極の電流とに基づいて、前記薄膜トランジスタの正孔移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、点滅電流比が１０６以上であるということが分かる。
前述のように、一実施形態によれば、半導体性炭素ナノチューブの選択的分離方法は、半導体性炭素ナノチューブを高収率で容易に分離させ、前記方法を利用して分離した半導体性炭素ナノチューブを含む電子素子は、向上した電気的特性を有する。
太陽電池
図１０Ａ及び図１０Ｂは、一実施形態による太陽電池の概路図である。図１０Ａを参照すれば、一実施形態による太陽電池１００は、連続してスタックされた（stacked）基板１０、下部電極２０、光活性層５０及び上部電極６０を含んでもよい。基板１０の材料は、不導体性高分子、シリコン、ガラス、溶融シリカ、石英、プラスチック、ＰＭＳ（polydimethylsiloxane）、及びそれらの組み合わせのうち一つを含んでもよいが、実施形態は、それらに制限されるものではない。下部電極２０及び上部電極６０は、それぞれ亜鉛酸化物、スズ酸化物、インジウムスズ酸化物のような、透明な導電性酸化物材料のうち少なくとも一つを含んでもよいが、実施形態は、それらに制限されるものではない。下部電極２０及び上部電極６０の材料及び／または材料（複数）は同一であっても異なってもよい。光活性層５０は、ｎ−型層３０及びｐ−型層４０を含む。ｐ−型層４０は、一実施形態による半導体性炭素ナノチューブを含む分散液を含む。前記半導体性炭素ナノチューブは、太陽電池で電荷発生に使用されてもよい。また、前記半導体性炭素ナノチューブは、前記炭素ナノチューブの特性によって、電荷輸送を容易に行うのにも使用されてもよい。前記ポリチオフェン誘導体は、電子ドナーに使用されてもよい。
図１０Ｂを参照すれば、一実施形態による太陽電池２００は、光活性層９０がｐ−型材料８０とｎ−型材料７０との混合物を含むことを除き、図１０Ａでの太陽電池１００と類似している。太陽電池１００及び太陽電池２００の間に類似した構造的要素の論議は省略する。ｐ−型層８０は、一実施形態による半導体性炭素ナノチューブを含む分散液を含んでもよい。
一部実施形態について特別に表示して記載しているが、当業者に、特許請求の範囲の範囲を外れない限り、変形及び細部的な事項が特許請求の範囲内で可能であると理解されるであろう。

Claims (40)

  1. 溶媒、炭素ナノチューブ及び分散剤を含む混合液で、前記炭素ナノチューブを分散させる段階と、
    前記混合液から、半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離する段階と、を含み、
    前記炭素ナノチューブは、半導体性炭素ナノチューブを含み、
    前記分散剤がチオフェン環、及び前記チオフェン環に連結された炭化水素側鎖を含むポリチオフェン誘導体を含み、
    前記炭化水素側鎖は、炭素数７以上を含むアルキル基を含み、
    前記炭化水素側鎖が立体規則的に配列された方法。
  2. 前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（１）で表示されることを特徴とする請求項１に記載の方法：
    前記化学式で、
    Ｒは、Ｃ７−Ｃ５０アルキル基であり、
    Ｒ１及びＲ２は、互いに独立して、水素、ハロゲン、メチル及びハロメチルのうち一つであり、
    ｌは、１ないし４０，０００の整数である。
  3. 前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（２），（３）及び（４）のうち一つで表示されることを特徴とする請求項１に記載の方法：
    前記化学式で、ｓ、ｔ及びｕは、互いに独立して、１ないし４０，０００の整数である。
  4. 前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（５），（６）及び（７）のうち一つで表示されることを特徴とする請求項１に記載の方法：
    前記化学式で、ｐ、ｑ及びｒは、互いに独立して、１ないし１０，０００の整数である。
  5. 前記炭素ナノチューブの直径が３ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  6. 前記炭素ナノチューブの直径が約０．７ｎｍないし約３ｎｍである ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  7. 前記炭素ナノチューブが、単一壁炭素ナノチューブ、二重壁炭素ナノチューブ、多重壁炭素ナノチューブ及び束型炭素ナノチューブ、またはそれらの組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  8. 前記溶媒が有機溶媒を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  9. 前記炭素ナノチューブが、有機溶媒で、約１０ｍｇ／Ｌ未満の溶解度を有することを特徴とする請求項７に記載の方法。
  10. 前記有機溶媒が、クロロホルム、ジクロロエタン、トルエン、キシレン、デカリン、メシチレン、ヘキサン及びテトラヒドロフランのうち少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
  11. 前記混合液で、炭素ナノチューブに係わる分散剤の重量比が、約１０：１ないし約１：１０であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  12. 前記混合液で、分散剤の含量が、溶媒全容量を基準に、約０．１ｍｇ／ｍｌないし約１ｍｇ／ｍｌであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  13. 前記混合液で、炭素ナノチューブの含量が、溶媒全容量を基準に、約０．１ｍｇ／ｍｌないし約１ｍｇ／ｍｌであることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  14. 前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階が、およそ−４０℃ないし約９０℃で遂行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  15. 前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階が、およそ−２０℃ないし約９０℃で遂行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  16. 前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階が、約２０℃ないし約８０℃で遂行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  17. 前記混合液で、炭素ナノチューブを分散させる段階が、約４０℃ないし約７０℃で遂行されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
  18. 前記混合液から、半導体性炭素ナノチューブを選択的に分離する段階が、前記混合液から、遠心分離によって分散された半導体性炭素ナノチューブを含む上澄み液を分離する段階を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  19. 前記上澄み液で、半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量を基準に、７５重量％以上であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  20. 前記上澄み液で、半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９重量％以上であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  21. 前記上澄み液で、半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９．５重量％以上である ことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  22. 前記上澄み液で、半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９．９重量％以上であることを特徴とする請求項１８に記載の方法。
  23. 半導体性炭素ナノチューブと、
    ポリチオフェン誘導体と、を含み、
    前記ポリチオフェン誘導体は、チオフェン環、及び前記チオフェン環に連結された炭化水素側鎖を含み、
    前記炭化水素側鎖は、炭素数７以上を含むアルキル基を含み、
    前記炭化水素側鎖が立体規則的に配列された電子素子。
  24. 前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（１）で表示されることを特徴とする請求項２３に記載の電子素子：
    前記化学式で、
    Ｒは、Ｃ７−Ｃ５０アルキル基であり、
    Ｒ１及びＲ２は、互いに独立して、水素、ハロゲン、メチル及びハロメチルのうち一つであり、
    ｌは、１ないし４０，０００の整数である。
  25. 前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（２），（３）及び（４）のうち一つで表示されることを特徴とする請求項２３に記載の電子素子：
    前記化学式で、ｓ、ｔ及びｕは、互いに独立して、１ないし４０，０００の整数である。
  26. 前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（５），（６）及び（７）のうち一つで表示されることを特徴とする請求項２３に記載の電子素子：
    前記化学式で、ｐ、ｑ及びｒは、互いに独立して、１ないし１０，０００の整数である。
  27. 半導体性炭素ナノチューブを含み、前記半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量を基準に、７５重量％以上である電子素子。
  28. 前記半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９重量％以上であることを特徴とする請求項２７に記載の電子素子。
  29. 前記半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９．５重量％以上であることを特徴とする請求項２７に記載の電子素子。
  30. 前記半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量を基準に、９９．９重量％以上であることを特徴とする請求項２７に記載の電子素子。
  31. 前記電子素子は、トランジスタ、太陽電池、光検出器、光伝導体、電極及びフレキシブル電子素子のうち一つを含むことを特徴とする請求項２７に記載の電子素子。
  32. 前記電子素子が薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）を含み、前記薄膜トランジスタの正孔移動度が１０ｃｍ２／Ｖｓ以上であり、点滅電流比が１０６以上であることを特徴とする請求項２７に記載の電子素子。
  33. ポリチオフェン誘導体と、
    半導体性炭素ナノチューブと、を含み、
    前記ポリチオフェン誘導体は、アルキル基と連結されたチオフェン環を含み、
    前記アルキル基は、炭素数７以上を含み、
    前記アルキル基が立体規則的に配列された分散液。
  34. 前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（１）で表示されることを特徴とする請求項３３に記載の分散液：
    前記化学式で、
    Ｒは、Ｃ７−Ｃ５０アルキル基であり、
    Ｒ１及びＲ２は、互いに独立して、水素、ハロゲン、メチル及びハロメチルのうち一つであり、
    ｌは、１ないし４０，０００の整数である。
  35. 前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（２），（３）及び（４）のうち一つで表示されることを特徴とする請求項３３に記載の分散液：
    前記化学式で、ｓ、ｔ及びｕは、互いに独立して、１ないし４０，０００の整数である。
  36. 前記ポリチオフェン誘導体は、下記化学式（５），（６）及び（７）のうち一つで表示されることを特徴とする請求項３３に記載の分散液：
    前記化学式で、ｐ、ｑ及びｒは、互いに独立して、１ないし１０，０００の整数である。
  37. 半導体性炭素ナノチューブを含み、前記半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量の７５重量％以上である分散液。
  38. 前記半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量の９９重量％以上であることを特徴とする請求項３７に記載の分散液。
  39. 前記半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量の９９．５重量％以上であることを特徴とする請求項３７に記載の分散液。
  40. 前記半導体性炭素ナノチューブの含量が、炭素ナノチューブ全重量の９９．９重量％以上であることを特徴とする請求項３７に記載の分散液。
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