Едно{0}}стенните въглеродни нанотръби (SWCNT) не всички имат еднакви проводими свойства. Въглеродните нанотръби, образувани чрез валцоване на един слой графен, могат да проявяват метално или полупроводниково поведение. Ключът към тази разлика не е просто диаметърът или дължината на тръбата, а хиралната структура (хиралност) и хиралният индекс (n,m), съответстващ на метода на валцуване на въглеродната нанотръба.
За компании, работещи върху наноелектронни устройства, прозрачни проводящи филми, сензори, полеви-транзистори и високо-ефективни проводими композитни материали, изясняването на разликата между метални и полупроводникови едностенни-стенни въглеродни нанотръби е много важно.
Казано по-просто, можете първо да запомните правило за преценка: Когато (n−m) mod 3=0, едно-стенната въглеродна нанотръба принадлежи към металния тип при идеалния модел от първи-порядък; когато (n−m) mod 3=1 или 2, той принадлежи към полупроводников тип.
Тази връзка на класическата електронна структура е потвърдена от голям брой изследвания на въглеродни нанотръби. Електрическите свойства на въглеродните нанотръби се определят от тяхната хиралност в периферна посока. Теоретично около 1/3 са метални и 2/3 са полупроводникови.
I. Каква е най-голямата разлика между металните и полупроводниковите въглеродни нанотръби с една-стена?
Най-голямата разлика между двете е различната структура на електронната лента и тази разлика произтича от хиралната структура на едно-стенната въглеродна нанотръба.
Една -стенна въглеродна нанотръба може да се разглежда като цилиндрична структура, образувана чрез търкаляне на слой графен в определена посока. Различните посоки на търкаляне на графена дават различни (n,m) хирални индекси.
С други думи: посока на търкаляне на графен → Различен хирален индекс → Различна лентова структура → Метален или полупроводников.
Ранните експериментални изследвания върху едно-стенни въглеродни нанотръби вече са доказали, че техните електронни свойства са свързани с посоката на разположение и диаметъра на графитната структура на стената на тръбата.
Следователно не е възможно директно да се определи дали SWCNT е метална или полупроводникова чрез визуална проверка, обикновени SEM изображения или просто „размер на диаметъра на тръбата“.
II. Какъв е хирален индекс (n,m) на едно-стенни въглеродни нанотръби?
Хиралният индекс (n,m) е най-основният структурен параметър за определяне на електронния тип на едно-стенни въглеродни нанотръби.
Върху дву-измерна графенова решетка две цели числа n и m могат да се използват за описание на посоката на търкаляне на въглеродната нанотръба.
Например:
(6,5)
(7,5)
(9,9)
(10,0)
(12,6)
Изглежда, че това са само две цели числа, но всъщност отговарят на различни:
Диаметри на тръбите
Хирални ъгли
Методи за атомно подреждане
Електронни лентови структури
Оптични преходи
Електротранспортни свойства
Изследванията показват, че едно{0}}стенните въглеродни нанотръби могат да имат стотици различни структури, всяка дефинирана от (n,m) хирален индекс и съответстваща на различни оптични преходи.
Основна връзка между хирален индекс и електронен тип
| Хирална индексна връзка | Резултат от присъдата | Типични електронни свойства |
|---|---|---|
| (n−m) mod 3=0 | Металик | Близо до нулева ширина на лентата |
| (n−m) mod 3=1 | Полупроводникови | Има пропускаща лента |
| (n−m) mod 3=2 | Полупроводникови | Има пропускаща лента |
| n = m | Тип фотьойл, идеално метален | Характеристики с висока проводимост |
| m = 0 | Тип зигзаг | Определя се от n |
| n ≠ m ≠ 0 | Хирален тип | Определя се от (n,m) |
Горната класификация е класическият метод за преценка на идеалната електронна структура на едно{0}}стенни въглеродни нанотръби.
III. Как да определите метален или полупроводников тип чрез формули?
Най-директният метод е да се изчисли остатъкът, когато (n−m) се раздели на 3.
Например:
Пример 1: (9,9)
9−9=0
0 мод 3=0
Следователно:
(9,9) → Металик
Това също е типична едностенна въглеродна нанотръба-от типа на фотьойла.
Пример 2: (10,0)
10−0=10
10 мод 3=1
Следователно:
(10,0) → Полупроводници
Пример 3: (10,7)
10−7=3
3 мод 3=0
Следователно:
(10,7) → Принадлежи към металния тип под идеалния модел от първи-порядък.
Пример 4: (8,6)
8−6=2
2 мод 3=2
Следователно:
(8,6) → Полупроводници.
Този метод на преценка може да се организира в много проста таблица:
| SWCNT (n,m) | n−m | мод 3 | Тип |
|---|---|---|---|
| (9,9) | 0 | 0 | Металик |
| (10,7) | 3 | 0 | Металик |
| (10,0) | 10 | 1 | Полупроводникови |
| (8,6) | 2 | 2 | Полупроводникови |
| (7,5) | 2 | 2 | Полупроводникови |
| (6,5) | 1 | 1 | Полупроводникови |
Следователно, ако доставчикът може да предостави ясни (n,m) данни за разпределението на хиралността, е възможно да се прецени металните и полупроводниковите типове от структурно ниво.
IV. Всички едно{1}}стенни въглеродни нанотръби с (n−m) mod 3=0 наистина ли са метални?
Строго погледнато, не е възможно просто да се разберат всички SWCNT с (n−m) mod 3=0 като идеални метали с напълно нулева ширина на лентата.
Това е много важен момент в действителното снабдяване и техническа комуникация.
При класическото приближение на тясно -свързване, (n−m) mod 3=0 съответства на металичност; обаче, за тръби от тип, различни от-фотьойл-, ефекти като кривина и π орбитално смесване могат да отворят много малка ширина на лентата. Следователно някои така наречени „метални“ хирални тръби са по-точно класифицирани като полу-метали или полупроводници с изключително малка забранена зона.
Скорошни изследвания на ACS също изрично посочват, че SWCNTs с (n−m) mod 3=0 обикновено се класифицират като метални, но някои хирални тръби, различни от n=m, може теоретично да имат много малки зазори.
Следователно в професионални технически документи:
Метален SWCNT ≠ Със строго нулева ширина на лентата във всички случаи.
Особено в приложенията за електронни устройства крайното поведение на устройството не може да се прецени единствено въз основа на просто правило за мод 3.
V. Какви са разликите в производителността между металните и полупроводниковите едно-стенни въглеродни нанотръби?
Металните SWCNT са по-подходящи за използване на техните характеристики с висока проводимост, докато полупроводниковите SWCNT са по-подходящи за електронни и оптоелектронни устройства, изискващи регулируем транспорт на носителя.
| Измерение на производителността | Метален SWCNT | Полупроводников SWCNT |
|---|---|---|
| Идеална лента | Близо до 0 | Обикновено има очевидна ширина на лентата |
| Електронен транспорт | Метален транспорт | Полупроводников транспорт |
| Полев-транзистор | Не е подходящ за типичен-нестандартен канал | Подходящ като материал за канал |
| Прозрачно проводимо фолио | Има приложна стойност | Зависи от състава |
| Нано{0}}връзки | Има потенциал | Обикновено не е основно предимство |
| Сензори | Може да се използва за откриване на промяна на съпротивлението | Има предимства за контрол на вратата/молекулярна адсорбционна реакция |
| Оптоелектронни устройства | Може да се използва за специфични оптоелектронни структури | Широко приложение |
| Проводими композитни материали | Могат да служат като проводими мрежи | Нуждае се от тестване въз основа на приложението |
| Електронни ключове | Трудно се постига високо съотношение вкл./изкл | По-подходящ |
| Типични индикатори за фокусиране | Метален коефициент, проводимост | Чистота на полупроводника, забранена лента, хиралност |
Електронните свойства на SWCNT са тясно свързани с хиралността и полупроводниковите въглеродни нанотръби вече са използвани в транзистори с полеви -ефекти, логически устройства, гъвкава електроника и други направления.
VI. Може ли Рамановата спектроскопия да направи разлика между метални и полупроводникови едно-стенни въглеродни нанотръби?
Характерните пикове в Raman спектроскопията могат да се използват за преценка, но Raman не може просто да приравни "пропорцията на площта на пика" към истинската пропорция на метални и полупроводникови типове в проба.
Това е един от най-забележителните експериментални въпроси, когато се преценяват метални и полупроводникови едно-стенни въглеродни нанотръби.
RBM (радиален режим на дишане) в рамановата спектроскопия е силно чувствителен към диаметъра и хиралността на въглеродните нанотръби, така че позицията на пика на RBM и резонансните условия могат да помогнат при идентифицирането на специфични (n,m) структури.
Изследванията са доказали, че Raman може да се използва за хирална идентификация на метални SWCNT и много висока енергийна разделителна способност може да се получи чрез електронни характеристики на Raman разсейване.
Въпреки това:
Не може просто да се приеме, че "метален RBM пиков интензитет ÷ всички RBM пикови интензитети=метално съдържание."
Причината е, че Raman сигналите се влияят от:
Дължина на вълната на лазера
Резонансни условия
Диаметър на карбонова тръба
Хиралност
Напречно-сечение на рамановото разсейване
Примерна среда
и други фактори.
Изследванията ясно посочват, че използването на ограничен брой лазерни линии за директно оценяване на металното съотношение чрез RBM пиково число или интегриран интензитет може да доведе до отклонения.
VII. Как да използваме пиковете на RBM, за да помогнем при преценката за типа на въглеродни нанотръби с една-стена?
RBM е един от много важните структурни пръстови отпечатъци в характеризирането на Raman на едно-стенни въглеродни нанотръби, но анализът трябва да се комбинира с лазерна енергия и хирална идентификация.
Пиковете на RBM обикновено се намират в областта на по-ниското вълново число и техните пикови позиции имат очевидна връзка с диаметъра на въглеродните нанотръби.
Общата приблизителна връзка може да бъде записана като:
ωRBM ≈ A/d + B
където:
ωRBM: Пикова позиция на RBM
d: SWCNT диаметър
A, B: Параметри, свързани с конкретния модел и среда
Следователно Раман не е просто „виждането на пик ви казва дали е метален или полупроводников“.
По-надежден подход е:
RBM пик → Изчислете диаметъра на тръбата → Комбинирайте с резонансни условия → Извършете (n,m) идентификация → Преценете електронния тип въз основа на (n−m) mod 3.
Ето защо професионалните доставчици на SWCNT трябва да притежават относително пълни възможности за структурно характеризиране.
VIII. Може ли UV{1}}vis-NIR спектроскопия да прави разлика между метални и полупроводникови типове?
Да, и UV{0}}vis-NIR спектроскопията е един от важните методи за анализ на състава на метални/полупроводникови SWCNT.
Полупроводниковите въглеродни нанотръби с една стена- имат очевидни електронни преходи, като общите характеристики S11, S22; металните SWCNT имат различни оптични преходни характеристики.
Съществуващото изследване на ACS използва UV{0}}vis-NIR абсорбционна спектроскопия за анализ на съотношението на метални и полупроводникови SWCNTs и докладва количествени резултати за метални-обогатени и полупроводникови-проби. Например, металното съдържание на някои отделени проби може да достигне 99,5%, а съдържанието на полупроводници може да достигне 98,9%.
Тези числа обаче са експериментални резултати от конкретни изследователски проби, а не универсални показатели, които могат да постигнат всички SWCNT продукти.
Следователно, по време на поръчката, ако доставчик твърди:
"Metallic SWCNT purity >99%"
Най-добре е да попитате допълнително:
Какъв е методът на тестване?
Тества ли метално съдържание или чистота на конкретна хиралност?
Дали е единична (n,m) или метална смес?
Какъв лазерен/спектрален диапазон се използва?
Има ли независими данни за характеризиране?
IX. Може ли електронната дифракция директно да определи металния/полупроводниковия тип на едно-стенните въглеродни нанотръби?
Електронната дифракция може да осигури структурна основа за преценка за метален/полупроводников тип чрез анализиране на кристалната структура и (n,m) хирален индекс на отделните SWCNT.
Това е един от важните методи за изследване на структурата на отделни въглеродни нанотръби.
Изследванията на ACS са използвали електронна дифракция, за да анализират разпределението на хиралността на SWCNTs и да определят металното съотношение в проби на базата на отделни въглеродни нанотръби. Например, в една изследователска проба, анализът на 166 SWCNTs даде метално съотношение от около 24%; друга група проби е около 33%.
Това също илюстрира важна точка:
Теоретичната "около 1/3 метална, около 2/3 полупроводникова" е структурна статистическа базова линия и не означава, че всяка действително отгледана проба ще поддържа стриктно 33,3%/66,7%.
Действителното съотношение се влияе от:
Катализатор
Температура на растеж
Източник на въглерод
Кинетика на растежа
Разпределение на диаметъра на тръбата
Селективност на хиралност
и други фактори.
X. Защо цената на въглеродните нанотръби с една-стена може да се различава толкова много?
Разликите в цената на SWCNT често са свързани с чистотата, степента на контрол на хиралността, съотношението метал/полупроводимост, разпределението на диаметъра на тръбата и нивото на последваща обработка, а не само „съдържание на въглеродни нанотръби“.
Обикновените смесени SWCNT и полупроводниковите SWCNT с висока{0}}чистота не са една и съща логика на възлагане.
| Тип продукт | Типични точки за фокусиране | Техническа трудност | Посока на приложение |
|---|---|---|---|
| Обикновен SWCNT | Чистота, диаметър, дължина | Среден | Композитни материали, проводими материали |
| SWCNT с висока-чистота | Чистота на въглерода, примеси | Сравнително високо | Високо{0}}ефективни материали |
| Метален-обогатен SWCNT | Метално съотношение | Сравнително високо | Проводими филми, електронни материали |
| Полупроводников-обогатен SWCNT | Полупроводниково отношение | Сравнително високо | TFT, сензори, оптоелектроника |
| Единична-хиралност SWCNT | (n,m) чистота | Много високо | Наноелектроника, фундаментални изследвания |
| Единична-хирална-чистота SWCNT | (n,m) + чистота | Изключително високо | Прецизна електроника/оптоелектроника |
Постигането на еднакви SWCNT с добре-дефиниран диаметър, дължина, хиралност и електронни свойства винаги е било важна цел в тази област. Изследователските пътища включват селективен растеж и разделяне след-синтеза.
XI. Как да избираме между метални и полупроводникови въглеродни нанотръби с една-стена?
Ако вашата основна нужда е проводимостта, обикновено трябва да се съсредоточите върху металното съотношение; ако целта е транзистори или полупроводникови устройства, трябва да се съсредоточите върху чистотата на полупроводниците и специфичната хиралност.
Предварителна преценка може да бъде направена според заявлението:
| Посока на приложение | По-фокусиран тип SWCNT | Ключови индикатори |
|---|---|---|
| Прозрачно проводимо фолио | Обогатен с метал- SWCNT | Проводимост, пропускливост, метално съотношение |
| Нано{0}}връзки | Метален SWCNT | Съпротивление,-токоподемност |
| Полев-транзистор | Полупроводников SWCNT | Чистота на полупроводника, хиралност |
| CNT-FET | Полупроводникови | Bandgap, мобилност, Ion/Ioff |
| Молекулярни сензори | Полупроводникови често внимание | Реакция, избирателност |
| Фотодетектори | Полупроводникови | Оптични преходи, забранена лента |
| Проводими композитни материали | Метален-обогатен/смесен SWCNT | Проводима мрежа, диспергируемост |
| Гъвкава електроника | Зависи от структурата на устройството | Хиралност, дължина, чистота |
| Висок{0}}клас наноелектроника | Единична-хиралност или тип с висока-чистота | (n,m) чистота |
Трябва да се подчертае, че „металът е по-добър“ или „полупроводникът е по-добре“ не са точни начини за оценка на материалите.
Истинският избор трябва да се определя от крайното устройство и материалната система.
XII. Защо производителите на въглеродни нанотръби с едностенни-стени трябва да контролират хиралността?
Тъй като за приложения от висок клас SWCNT контролирането на хиралността всъщност контролира електронните и оптичните свойства на крайния материал.
Основните текущи технически маршрути включват:
Селективен растеж
Контрол на хиралността
Разделяне след-синтеза
Метално/полупроводниково разделяне
Отделяне на единична-хиралност
За обикновените композитни материали може да не е необходима много висока хирална чистота.
Но за:
CNT-FET
Гъвкави транзистори
Нанолазерни логически устройства
Фотодетектори
Оптоелектронни устройства с-близък инфрачервен диапазон
Едномолекулни сензори-
Значението на контрола на хиралността ще нарасне значително.
XIII. Като производител на-въглеродни нанотръби с една стена, как Shandong Tanfeng отговаря на различни приложения?
Разработката на продукта с едностенни-въглеродни нанотръби на Shandong Tanfeng може да установи съответна връзка около „структурни параметри-електронен тип-крайно приложение,“ вместо просто да предостави унифициран продукт със спецификация SWCNT.
За клиенти, които трябва да закупят едно-стенни въглеродни нанотръби, комуникацията може да се фокусира върху следните параметри:
1. Основна структура на въглеродни нанотръби с една стена-
Включва:
Диаметър на тръбата
Дължина
Съотношение на страните
Специфична повърхност
Въглеродна чистота
Метални примеси
Съдържание на аморфен въглерод
2. Електронен тип
Според нуждите на клиентското приложение може да се обърне допълнително внимание на:
Метален SWCNT
Полупроводников SWCNT
Обогатен с метал- SWCNT
Полупроводников-обогатен SWCNT
3. Информация за хиралност
За приложения от висок{0}}клас може да се обърне допълнително внимание на:
(n,m) разпределение
Хирален ъгъл
Разпределение на диаметъра на тръбата
Специфична степен на обогатяване на хиралност
4. Спектрална характеристика
Според нуждите на продукта и приложението може да се обърне внимание на:
Раман
RBM
Съотношение G/D
UV-vis-NIR
PL
Друга структурна/композиционна характеристика
Това е особено важно за научноизследователски и развойни и производствени предприятия, които трябва да закупят едностенни въглеродни нанотръби с висока-чистота, полупроводникови едно-стенни въглеродни нанотръби и метални едностенни-въглеродни нанотръби.
XIV. За кои приложения са по-подходящи едностенните-продукти от въглеродни нанотръби на Shandong Tanfeng?
Shandong Tanfeng може да осигури съвпадение на продукти за електронни материали, проводими материали и високо{0}}производителни композитни материали на клиенти около различни електронни типове SWCNT и структурни изисквания.
Електронни устройства
За клиенти, нуждаещи се от полупроводникови SWCNTs, съпоставянето на спецификациите може да се извърши около съотношението на полупроводниците, разпределението на хиралността и оптичните характеристики.
Проводими филми
За приложения като прозрачни проводящи филми фокусът може да бъде върху металното съотношение, способността за образуване на мрежа и устойчивостта на филма.
Сензори
SWCNTs са относително чувствителни към повърхностна адсорбция и локални промени в заряда и могат да се използват за различни видове разработка на сензорни материали.
Проводими композитни материали
Ако целта на приложението е да се създаде проводяща мрежа с ниско{0}}присъединяване, е необходимо цялостно разглеждане на SWCNT дължина, диаметър, чистота, състояние на дисперсия и електронен тип.
Като производител на-въглеродни нанотръби с една стена, Shandong Tanfeng може да съпостави спецификации от две измерения-структура на продукта и индикатори за характеризиране-според специфичните нужди на клиентското приложение, вместо просто да продава под трите думи „SWCNT“.
XV. Често срещани въпроси: Метални и полупроводникови въглеродни нанотръби с една-стена
1. Защо едностенните-въглеродни нанотръби имат метален и полупроводников тип?
Тъй като различните посоки на търкаляне на графена произвеждат различни хирални структури, а хиралните структури определят разрешените нива на електронна енергия и лентови структури.
2. Как да преценя типа SWCNT чрез (n,m)?
Изчислете (n−m) mod 3 за класическа преценка от първи-порядък.
Остатък от 0 → металик;
Остатък от 1 или 2 → Полупроводникови.
3. Какъв тип е (6,5) едно-стенна въглеродна нанотръба?
(6−5)=1, следователно (6,5) принадлежи към полупроводниковата SWCNT.
4. Какъв тип е (9,9)?
(9−9)=0, следователно (9,9) е типичен метален SWCNT за кресло.
5. Може ли Raman точно да измерва металното съдържание?
Raman може да се използва за характеризиране на метален/полупроводников тип и хиралност, но точното метално съотношение не може да бъде директно получено просто чрез единична RBM пикова площ или номер на пик. Резонансните условия, дължината на вълната на лазера и напречните сечения-на Раманово разсейване на различни хиралности влияят върху резултатите.
6. Непременно металните SWCNTs са по-проводими от полупроводниковите SWCNT?
От дефиницията на електронната структура металният тип има почти-нулеви характеристики на забранената лента, но проводимостта на действителните материали също се влияе от дефекти, контакти, допинг на заряд, между-тръбни контакти и мрежова структура.
7. Какво е теоретичното съотношение между метални и полупроводникови типове в едно-стенни въглеродни нанотръби?
Съгласно статистическия модел на идеалното произволно разпределение на хиралността, той е около 1/3 метален и 2/3 полупроводников, но действително отгледаните проби може да се отклоняват значително от това съотношение.
Преценка на типа въглеродни нанотръби с едно-стенна стена: първо погледнете (n,m), след това погледнете данните за характеризиране
За да се прави разлика между метални и полупроводникови едно-стенни въглеродни нанотръби, най-важното нещо не е външният вид, а хиралната структура и резултатите от електронното характеризиране.
Най-основната логика на преценка може да се обобщи като: (n,m) хирален индекс → (n−m) mod 3 → Метален/полупроводников → Raman, UV-vis-NIR и друга експериментална проверка.
Ако правите само основна структурна преценка, правилото (n,m) вече е много практично. Ако въвеждате действително снабдяване с продукти, тогава не можете да разглеждате само теоретичните формули, но трябва да се съсредоточите допълнително върху:
Чистота на въглеродните нанотръби- с една стена
Съотношение метал/полупроводник
Разпределение на диаметъра на тръбата
Разпределение по дължина
Хирално разпределение
Raman данни
Данни за UV-vis-NIR
PL данни
Метални примеси
Консистенция на партидата
Специално за SWCNTs от електронен{0}}клас, „независимо дали е с една-стена“ е само първата стъпка. „Коя хиралност, кой електронен тип и каква чистота“ наистина определя неговата приложна стойност.
Като производител на едно-стенни въглеродни нанотръби, Shandong Tanfeng може да осигури подкрепа при избора от основни едно-стенни въглеродни нанотръби до специфични електронни продукти около метални, полупроводникови и SWCNT продуктови нужди с различни структурни параметри и да комбинира Raman, спектроскопия и други данни за характеризиране, за да помогне на клиентите да преценят дали продуктът е подходящ за целевото приложение.
За чуждестранни клиенти, които търсят едно{0}}стенни въглеродни нанотръби, полупроводникови SWCNT, метални SWCNT и SWCNT с висока-чистота, вместо просто да сравняват цените, е по-добре първо да потвърдят дали електронният тип, разпределението на хиралността и данните за характеризиране наистина отговарят на изискванията на приложението.