Hvordan skille mellom metalliske og halvledende enkelt-veggede nanorør i karbon?

Enkelt-karbonnanorør (SWCNT) har ikke alle de samme ledende egenskapene. Karbon nanorør dannet ved å rulle et enkelt lag med grafen kan vise enten metallisk eller halvledende oppførsel. Nøkkelen til denne forskjellen er ikke bare rørdiameter eller lengde, men den kirale strukturen (kiralitet) og kiral indeks (n,m) som tilsvarer rullemetoden til karbonnanorøret.

For selskaper som jobber med nanoelektroniske enheter, transparente ledende filmer, sensorer, felt-effekttransistorer og høy-ledende komposittmaterialer, er det svært viktig å klargjøre forskjellen mellom metalliske og halvledende enkeltveggede-karbonnanorør.

Enkelt sagt kan du først huske en dømmende regel: Når (n−m) mod 3=0, tilhører det enkeltveggede karbonnanorøret den metalliske typen under den ideelle første-modellen; når (n−m) mod 3=1 eller 2, tilhører den halvledende typen.

Dette klassiske elektroniske strukturforholdet har blitt bekreftet av en stor mengde karbon-nanorørforskning. De elektriske egenskapene til nanorør av karbon bestemmes av deres chiralitet i omkretsretningen. Teoretisk er omtrent 1/3 metalliske og 2/3 halvledende.

I. Hva er den største forskjellen mellom metalliske og halvledende enkelt-veggede nanorør i karbon?

Den største forskjellen mellom de to er den forskjellige elektroniske båndstrukturen, og denne forskjellen stammer fra den kirale strukturen til det enkeltveggede karbonnanorøret.

Et enkelt-vegget karbonnanorør kan sees på som en sylindrisk struktur dannet ved å rulle et lag med grafen langs en bestemt retning. Ulike rulleretninger for grafen gir forskjellige (n,m) chirale indekser.

Med andre ord: Grafen rulleretning → Ulik chiral indeks → Ulik båndstruktur → Metallisk eller halvledende.

Tidlig eksperimentell forskning på enkeltveggede karbon-nanorør har allerede vist at deres elektroniske egenskaper er relatert til arrangementsretningen og diameteren til rørveggens grafittstruktur.

Derfor er det ikke mulig å bestemme direkte om en SWCNT er metallisk eller halvledende gjennom visuell inspeksjon, vanlige SEM-bilder eller ganske enkelt "rørdiameterstørrelse."

II. Hva er den kirale indeksen (n,m) for enkelt-veggede karbonnanorør?

Den kirale indeksen (n,m) er den mest sentrale strukturelle parameteren for å bestemme den elektroniske typen enkeltveggede karbonnanorør.

På et to-dimensjonalt grafengitter kan to heltall n og m brukes for å beskrive rulleretningen til karbon-nanorøret.

For eksempel:

(6,5)

(7,5)

(9,9)

(10,0)

(12,6)

Disse ser ut til å være bare to heltall, men de tilsvarer faktisk forskjellige:

Rørdiametere

Kirale vinkler

Metoder for atomarrangement

Elektroniske båndstrukturer

Optiske overganger

Elektriske transportegenskaper

Forskning viser at enkeltveggede karbonnanorør kan ha hundrevis av forskjellige strukturer, hver definert av en (n,m) kiral indeks og tilsvarer forskjellige optiske overganger.

Grunnleggende forhold mellom chiral indeks og elektronisk type

Klassifiseringen ovenfor er den klassiske vurderingsmetoden i den ideelle elektroniske strukturen til enkeltveggede karbonnanorør.

III. Hvordan bestemme metallisk eller halvledende type gjennom formler?

Den mest direkte metoden er å beregne resten når (n−m) deles på 3.

For eksempel:

Eksempel 1: (9,9)

9−9=0

0 mod 3=0

Derfor:

(9,9) → Metallisk

Dette er også en typisk lenestol-enkelvegget-karbon nanorør.

Eksempel 2: (10,0)

10−0=10

10 moder 3=1

Derfor:

(10,0) → Halvledende

Eksempel 3: (10,7)

10−7=3

3 moder 3=0

Derfor:

(10,7) → Tilhører den metalliske typen under den ideelle første-modellen.

Eksempel 4: (8,6)

8−6=2

2 moder 3=2

Derfor:

(8,6) → Halvledende.

Denne vurderingsmetoden kan organiseres i en veldig enkel tabell:

Derfor, hvis en leverandør kan gi klare (n,m) chiralitetsdistribusjonsdata, er det mulig å bedømme metalliske og halvledende typer fra det strukturelle nivået.

IV. Er alle enkeltveggede karbonnanorør med (n−m) mod 3=0 virkelig metalliske?

Strengt tatt er det ikke mulig å forstå alle SWCNT-er med (n−m) mod 3=0 som ideelle metaller med fullstendig null båndgap.

Dette er et svært viktig punkt i faktiske anskaffelser og teknisk kommunikasjon.

Under den klassiske stramme-bindingstilnærmingen tilsvarer (n−m) mod 3=0 metallisitet; for rør av ikke--Lenestol-type, kan effekter som krumning og π orbitalblanding åpne et veldig lite båndgap. Derfor er noen såkalte- "metalliske" chirale rør mer nøyaktig klassifisert som halv-halvledere eller ekstremt små båndgap.

Nyere ACS-forskning påpeker også spesifikt at SWCNT-er med (n−m) mod 3=0 generelt er klassifisert som metalliske, men noen andre chirale rør enn n=m kan teoretisk ha svært små båndgap.

Derfor, i profesjonelle tekniske dokumenter:

Metallisk SWCNT ≠ Har strengt tatt null båndgap i alle tilfeller.

Spesielt i elektroniske enhetsapplikasjoner kan den endelige enhetens oppførsel ikke bedømmes utelukkende basert på en enkel mod 3-regel.

V. Hva er ytelsesforskjellene mellom metalliske og halvledende enkelt-veggede nanorør i karbon?

Metalliske SWCNT-er er mer egnet for å utnytte deres høye konduktivitetsegenskaper, mens halvledende SWCNT-er er mer egnet for elektroniske og optoelektroniske enheter som krever avstembar transport av bærer.

Elektroniske SWCNT-egenskaper er nært beslektet med kiralitet, og halvledende karbon-nanorør har allerede blitt brukt i felt-effekttransistorer, logiske enheter, fleksibel elektronikk og andre retninger.

VI. Kan Raman-spektroskopi skille mellom metalliske og halvledende enkelt-veggede nanorør i karbon?

Karakteristiske topper i Raman-spektroskopi kan brukes til vurdering, men Raman kan ikke bare sette likhetstegn mellom "topparealandel" og den sanne andelen metalliske og halvledende typer i en prøve.

Dette er en av de mest bemerkelsesverdige eksperimentelle problemene når man bedømmer metalliske og halvledende enkeltveggede-karbonnanorør.

RBM (Radial Breathing Mode) i Raman-spektroskopi er svært følsom for karbon-nanorørdiameter og chiralitet, så RBM-toppposisjonen og resonansforholdene kan hjelpe til med å identifisere spesifikke (n,m) strukturer.

Forskning har vist at Raman kan brukes til kiral identifikasjon av metalliske SWCNT-er, og svært høy energioppløsning kan oppnås gjennom elektroniske Raman-spredningsegenskaper.

Imidlertid:

Det kan ikke bare antas at "metallisk RBM-toppintensitet ÷ alle RBM-toppintensiteter=metallisk innhold."

Årsaken er at Raman-signaler påvirkes av:

Laserbølgelengde

Resonansforhold

Diameter av karbonrør

Kiralitet

Raman-sprednings-tverrsnitt-

Eksempel miljø

og andre faktorer.

Forskning påpeker tydelig at bruk av et begrenset antall laserlinjer for direkte å estimere metallforholdet gjennom RBM-topptall eller integrert intensitet kan gi avvik.

VII. Hvordan bruke RBM Peaks for å hjelpe til med å bedømme enkelt-vegget karbon nanorørtype?

RBM er et av de svært viktige strukturelle fingeravtrykkene i Raman-karakteriseringen av enkeltveggede karbon-nanorør, men analyse må kombineres med laserenergi og kiral identifikasjon.

RBM-topper er vanligvis lokalisert i den nedre bølgetallsregionen, og deres toppposisjoner har et åpenbart forhold til karbon nanorørs diameter.

Et vanlig omtrentlig forhold kan skrives som:

ωRBM ≈ A/d + B

Hvor:

ωRBM: RBM toppposisjon

d: SWCNT diameter

A, B: Parametre relatert til den spesifikke modellen og miljøet

Derfor er Raman ikke bare "å se en topp forteller deg om den er metallisk eller halvledende."

En mer pålitelig tilnærming er:

RBM-topp → Estimer rørdiameter → Kombiner med resonansforhold → Utfør (n,m) identifikasjon → Døm elektronisk type basert på (n−m) mod 3.

Dette er også grunnen til at profesjonelle SWCNT-leverandører må ha relativt komplette strukturelle karakteriseringsevner.

VIII. Kan UV-vis-NIR-spektroskopi skille mellom metalliske og halvledende typer?

Ja, og UV-vis-NIR-spektroskopi er en av de viktige metodene for å analysere sammensetningen av metalliske/halvledende SWCNT-er.

Halvledende enkeltveggede karbonnanorør har åpenbare elektroniske overganger, for eksempel de vanlige S11- og S22-karakteristikkene; metalliske SWCNT-er har forskjellige optiske overgangsegenskaper.

Eksisterende ACS-forskning har brukt UV-vis-NIR-absorpsjonsspektroskopi for å analysere forholdet mellom metalliske og halvledende SWCNT-er, og rapportert kvantitative resultater for metallisk-anrikede og halvledende-anrikede prøver. For eksempel kan metallinnholdet i noen separerte prøver nå 99,5 %, og det halvledende innholdet kan nå 98,9 %.

Imidlertid er disse tallene eksperimentelle resultater av spesifikke forskningsprøver, ikke universelle indikatorer som alle SWCNT-produkter kan oppnå.

Derfor, under anskaffelse, hvis en leverandør hevder:

"Metallic SWCNT purity >99%"

Det er best å spørre videre:

Hva er testmetoden?

Tester det metallinnhold eller renheten til en spesifikk chiralitet?

Er det en enkelt (n,m) eller en metallisk blanding?

Hvilket laser-/spektralområde brukes?

Finnes det uavhengige karakteriseringsdata?

IX. Kan elektrondiffraksjon direkte bestemme metallisk/halvledende type enkelt-veggde karbonnanorør?

Elektrondiffraksjon kan gi et strukturelt grunnlag for vurdering av metallisk/halvledende type ved å analysere krystallstrukturen og (n,m) chirale indeksen til individuelle SWCNT-er.

Dette er en av de viktige metodene for å studere strukturen til individuelle karbon-nanorør.

ACS-forskning har brukt elektrondiffraksjon for å analysere chiralitetsfordelingen til SWCNT-er og bestemme metallforholdet i prøver basert på individuelle karbon-nanorør. For eksempel, i en forskningsprøve ga analyse av 166 SWCNT-er et metallforhold på omtrent 24 %; en annen gruppe prøver var rundt 33 %.

Dette illustrerer også et viktig poeng:

Den teoretiske "omtrent 1/3 metallisk, omtrent 2/3 halvledende" er en strukturell statistisk grunnlinje, og betyr ikke at en faktisk dyrket prøve strengt tatt vil opprettholde 33,3 %/66,7 %.

Det faktiske forholdet påvirkes av:

Katalysator

Veksttemperatur

Karbonkilde

Vekstkinetikk

Rørdiameterfordeling

Kiralitet selektivitet

og andre faktorer.

X. Hvorfor kan prisen på enkle-nanorør av karbon med vegger variere så mye?

SWCNT-prisforskjeller er ofte relatert til renhet, grad av chiralitetskontroll, metallisk/halvlederforhold, rørdiameterfordeling og etter-behandlingsnivå, ikke bare "karbonnanorørinnhold".

Vanlige blandede SWCNT-er og halvledende SWCNT-er med høy-renhet er ikke den samme innkjøpslogikken.

Å oppnå enhetlige SWCNT-er med vel-definert diameter, lengde, chiralitet og elektroniske egenskaper har alltid vært et viktig mål på dette feltet. Forskningsruter inkluderer selektiv vekst og separasjon etter-syntese.

XI. Hvordan velge mellom metalliske og halvledende enkelt-veggede nanorør i karbon?

Hvis kjernebehovet ditt er ledningsevne, må du vanligvis fokusere på det metalliske forholdet; hvis målet er transistorer eller halvlederenheter, må du fokusere på halvledende renhet og spesifikk chiralitet.

Foreløpig avgjørelse kan foretas etter søknad:

Det bør understrekes at "metallisk er bedre" eller "halvledende er bedre" ikke er nøyaktige måter å evaluere materialer på.

Det sanne valget bør bestemmes av sluttanordningen og materialsystemet.

XII. Hvorfor trenger produsenter av enkeltveggede karbonnanorør å kontrollere chiralitet?

Fordi for avanserte SWCNT-applikasjoner, kontrollerer chiralitet faktisk de elektroniske og optiske egenskapene til det endelige materialet.

De viktigste gjeldende tekniske rutene inkluderer:

Selektiv vekst

Chiralitetskontroll

Separasjon etter-syntese

Metallisk/halvledende separasjon

Enkelt-chiralitetsseparasjon

For vanlige komposittmaterialer er det kanskje ikke nødvendig med svært høy chiralitetsrenhet.

Men for:

CNT-FET

Fleksible transistorer

Nanolaser logiske enheter

Fotodetektorer

I nærheten av-infrarøde optoelektroniske enheter

Enkelt-molekylsensorer

Betydningen av chiralitetskontroll vil øke betydelig.

XIII. Hvordan matcher Shandong Tanfeng ulike applikasjoner som en enkelt-produsent av karbonnanorør med vegger?

Shandong Tanfengs enkeltveggede-karbon-nanorør-produktutvikling kan etablere et tilsvarende forhold rundt «strukturelle parametere-elektronisk type-sluttapplikasjon, i stedet for bare å gi et enhetlig SWCNT-produkt.

For kunder som trenger å kjøpe enkeltveggede-karbonnanorør, kan kommunikasjonen fokusere på følgende parametere:

1. Enkelt-vegget karbon nanorørs grunnleggende struktur

Inkluderer:

Rør diameter

Lengde

Sideforhold

Spesifikt overflateareal

Karbonrenhet

Metallurenheter

Amorft karboninnhold

2. Elektronisk type

I henhold til kundeapplikasjonsbehov kan ytterligere oppmerksomhet rettes mot:

Metallisk SWCNT

Halvledende SWCNT

Metallisk-anriket SWCNT

Halvledende-anriket SWCNT

3. Kiralitetsinformasjon

For avanserte-applikasjoner kan du være mer oppmerksom på:

(n,m) distribusjon

Kiral vinkel

Rørdiameterfordeling

Spesifikk chiralitetsberikelsesgrad

4. Spektral karakterisering

I henhold til produkt- og applikasjonsbehov kan oppmerksomhet rettes mot:

Raman

RBM

G/D-forhold

UV-vis-NIR

PL

Annen strukturell/komposisjonell karakterisering

Dette er spesielt viktig for FoU- og produksjonsbedrifter som trenger å kjøpe enkeltveggede-karbonnanorør med høy-renhet, halvledende enkeltveggede-karbonnanorør og metalliske enkeltveggede-karbonnanorør.

XIV. Hvilke applikasjoner er Shandong Tanfengs enkeltveggede-karbon nanorørprodukter mer egnet for?

Shandong Tanfeng kan tilby produktmatching for elektroniske materialer, ledende materialer og høyytelseskomposittmaterialkunder i henhold til ulike SWCNT-elektronikktyper og strukturelle krav.

Elektroniske enheter

For kunder som trenger halvledende SWCNT-er, kan spesifikasjonsmatching utføres rundt halvlederforhold, chiralitetsfordeling og optiske egenskaper.

Ledende filmer

For applikasjoner som transparente ledende filmer, kan fokus være på metallforhold, nettverksdannelsesevne og filmmotstand.

Sensorer

SWCNT-er er relativt følsomme for overflateadsorpsjon og lokale ladningsendringer, og kan brukes til ulike typer sensormaterialutvikling.

Ledende komposittmaterialer

Hvis applikasjonsmålet er å etablere et ledende nettverk med lav-tilsetning, er det nødvendig med en omfattende vurdering av SWCNT-lengde, diameter, renhet, spredningstilstand og elektronisk type.

Som en enkelt-produsent av karbonnanorør med vegger, kan Shandong Tanfeng matche spesifikasjoner fra todimensjonale-produktstruktur- og karakteriseringsindikatorer-i henhold til spesifikke behov for kundeapplikasjoner, i stedet for bare å selge under de tre ordene "SWCNT."

XV. Vanlige spørsmål: metalliske og halvledende enkelt-veggede nanorør i karbon

1. Hvorfor har enkeltveggede karbonnanorør metalliske og halvledende typer?

Fordi forskjellige grafenrulleretninger produserer forskjellige kirale strukturer, og kirale strukturer bestemmer de tillatte elektroniske energinivåene og båndstrukturene.

2. Hvordan bedømme SWCNT-type gjennom (n,m)?

Beregn (n−m) mod 3 for klassisk første-bedømmelse.

Resten av 0 → Metallic;
Resten av 1 eller 2 → Halvledende.

3. Hvilken type er (6,5) enkeltveggede-karbonnanorør?

(6−5)=1, derfor tilhører (6,5) halvledende SWCNT.

4. Hvilken type er (9,9)?

(9−9)=0, derfor er (9,9) en typisk lenestol metallisk SWCNT.

5. Kan Raman måle metallinnhold nøyaktig?

Raman kan brukes for karakterisering av metallisk/halvledende type og chiralitet, men nøyaktig metallforhold kan ikke oppnås direkte bare gjennom et enkelt RBM-toppområde eller topptall. Resonansforhold, laserbølgelengde og Raman-spredningstverrsnitt- av forskjellige chiraliteter påvirker alle resultatene.

6. Er metalliske SWCNTer nødvendigvis mer ledende enn halvledende SWCNTer?

Fra den elektroniske strukturdefinisjonen har metallisk type nær-null båndgap-egenskaper, men ledningsevnen til faktiske materialer påvirkes også av defekter, kontakter, ladningsdoping, inter-rørkontakter og nettverksstruktur.

7. Hva er det teoretiske forholdet mellom metalliske og halvledende typer i enkeltveggede-karbonananorør?

Under den statistiske modellen for ideell tilfeldig chiralitetsfordeling er den omtrent 1/3 metallisk og 2/3 halvledende, men faktiske dyrkede prøver kan avvike betydelig fra dette forholdet.

Bedømme enkelt-Walled Carbon Nanotube Type: Først titt på (n,m), se deretter på karakteriseringsdata

For å skille mellom metalliske og halvledende enkeltveggede-karbonnanorør, er det viktigste ikke utseendet, men kiral struktur og elektroniske karakteriseringsresultater.

Den mest grunnleggende vurderingslogikken kan oppsummeres som: (n,m) kiral indeks → (n−m) mod 3 → Metallisk/halvledende → Raman, UV-vis-NIR og annen eksperimentell verifikasjon.

Hvis man bare gjør grunnleggende strukturell vurdering, er (n,m)-regelen allerede veldig praktisk. Hvis du går inn i faktiske produktanskaffelser, kan du ikke bare se på teoretiske formler, men du må også fokusere ytterligere på:

Enkelt-renhet av karbon nanorør

Metallisk/halvledende forhold

Rørdiameterfordeling

Lengdefordeling

Chiralitetsfordeling

Raman-data

UV-vis-NIR-data

PL-data

Metallurenheter

Batch-konsistens

Spesielt for SWCNT-er i elektronisk-klasse er «enten den er enkelt-vegget» bare det første trinnet. "Hvilken chiralitet, hvilken elektronisk type og hvilken renhet" bestemmer virkelig bruksverdien.

Som en enkelt-produsent av karbonnanorør kan Shandong Tanfeng tilby utvalgsstøtte fra grunnleggende enkeltveggede karbonnanorør til spesifikke elektroniske produkter rundt metalliske, halvledende og ulike strukturelle parametere SWCNT-produktbehov, og kombinere Raman, spektroskopi og andre karakteriseringsdata for å hjelpe kundene med å vurdere om applikasjonen er egnet for produktet.

For utenlandske kunder som leter etter Single-Walled Carbon Nanotubes, Semiconducting SWCNT, Metallic SWCNT og High{1}}Purity SWCNT, i stedet for bare å sammenligne priser, er det bedre å først bekrefte om den elektroniske typen, chiralitetsfordelingen og karakteriseringsdataene virkelig oppfyller applikasjonskravene.