單壁碳納米管具有優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，在柔性和透明電子器件領(lǐng)域可作為透明電極材料或半導(dǎo)體溝道材料，因此被認(rèn)為是最具競爭力的候選材料之一。

開發(fā)出可高效、宏量制備高質(zhì)量碳納米管薄膜的方法已成為該材料走向?qū)嶋H應(yīng)用的關(guān)鍵難題。首先，迄今制備的單壁碳納米管薄膜的尺寸通常為厘米量級(jí)，批次制備方式不能滿足規(guī)模化應(yīng)用要求；其次，由于在碳納米管薄膜制備工藝過程中通常會(huì)引入雜質(zhì)和結(jié)構(gòu)缺陷，使得薄膜的光電性能劣化，遠(yuǎn)低于理論預(yù)測值。因此，發(fā)展一種高效、宏量制備高質(zhì)量單壁碳納米管薄膜的制備方法具有重要價(jià)值。

近日，中國科學(xué)院金屬研究所先進(jìn)炭材料研究部孫東明團(tuán)隊(duì)與劉暢團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種連續(xù)合成、沉積和轉(zhuǎn)移單壁碳納米管薄膜的技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了米級(jí)尺寸高質(zhì)量單壁碳納米管薄膜的連續(xù)制備，并基于此構(gòu)建出高性能的全碳薄膜晶體管（TFT）和集成電路（IC）器件。

大面積柔性全碳器件：（a）柔性透明全碳器件；（b）器件光學(xué)透過率曲線；（c）全碳TFT結(jié)構(gòu)示意圖。

研究人員采用浮動(dòng)催化劑化學(xué)氣相沉積方法在反應(yīng)爐的高溫區(qū)域連續(xù)生長單壁碳納米管，然后通過氣相過濾和轉(zhuǎn)移系統(tǒng)在室溫下收集所制備的碳納米管，并通過卷到卷轉(zhuǎn)移方式轉(zhuǎn)移至柔性PET基底上，獲得了長度超過2m的單壁碳納米管薄膜。

米級(jí)單壁碳納米管薄膜的制備：（a）碳納米管連續(xù)合成、沉積和轉(zhuǎn)移過程；（b）實(shí)驗(yàn)裝置；（c）柔性PET襯底上的單壁碳納米管薄膜；（d）一卷單壁碳納米管薄膜。

通過該方法制備的單壁碳納米管薄膜表現(xiàn)出優(yōu)異的光電性能和分布均勻性，在550納米波長下其透光率為90％，方塊電阻為65Ω/□。研究人員利用所制備的碳納米管薄膜構(gòu)筑了高性能全碳柔性透明晶體管以及異或門、101階環(huán)形振蕩器等柔性全碳集成電路。

單壁碳納米管薄膜光電性能：（a）透光率面分布；（b）方塊電阻面分布；（c）薄膜性能的對(duì)比。

全碳邏輯門和環(huán)形振蕩器：（a）異或門；（b）異或門光學(xué)照片；（c）異或門輸入輸出特性曲線；（d）101階環(huán)形振蕩器光學(xué)照片；（e）101階環(huán)形振蕩器輸入輸出曲線。

這是研究人員首次開發(fā)出米級(jí)長度的單壁碳納米管薄膜的連續(xù)生長、沉積和轉(zhuǎn)移技術(shù)，所制備的單壁碳納米管薄膜及其晶體管具有優(yōu)異的光電性能，為未來開發(fā)基于單壁碳納米管薄膜的大面積、柔性和透明電子器件奠定了材料基礎(chǔ)。單壁碳納米管薄膜的連續(xù)制備技術(shù)已獲得中國發(fā)明專利（ZL201410486883.1），相關(guān)論文于近日在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）在線發(fā)表。

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