Jak odróżnić metaliczne od półprzewodnikowych jedno-nanorurek węglowych o ściankach?

Nie wszystkie jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT) mają takie same właściwości przewodzące. Nanorurki węglowe utworzone przez walcowanie pojedynczej warstwy grafenu mogą wykazywać właściwości metaliczne lub półprzewodnikowe. Kluczem do tej różnicy nie jest po prostu średnica czy długość rury, ale struktura chiralna (chiralność) i wskaźnik chiralny (n,m) odpowiadający metodzie walcowania nanorurki węglowej.

Dla firm zajmujących się urządzeniami nanoelektronicznymi, przezroczystymi foliami przewodzącymi, czujnikami,-tranzystorami polowymi i-przewodzącymi materiałami kompozytowymi o wysokiej wydajności, bardzo ważne jest wyjaśnienie różnicy między metalowymi i półprzewodnikowymi jednościennymi nanorurkami-węglowymi.

Mówiąc najprościej, możesz najpierw zapamiętać regułę oceny: gdy (n−m) mod 3=0, jedno-ścienna nanorurka węglowa należy do typu metalicznego w idealnym modelu pierwszego-rzędu; gdy (n-m) mod 3=1 lub 2, należy on do typu półprzewodnikowego.

Ta klasyczna zależność struktury elektronowej została zweryfikowana w wyniku licznych badań nad nanorurkami węglowymi. O właściwościach elektrycznych nanorurek węglowych decyduje ich chiralność w kierunku obwodowym. Teoretycznie około 1/3 to metale, a 2/3 to półprzewodniki.

I. Jaka jest największa różnica między metalowymi i półprzewodnikowymi jedno-nanorurkami węglowymi o ściankach?

Największą różnicą między nimi jest inna struktura pasm elektronowych, a różnica ta wynika z chiralnej struktury jedno-nanorurki węglowej.

Pojedynczą-nanorurkę węglową można postrzegać jako cylindryczną strukturę utworzoną przez walcowanie warstwy grafenu w określonym kierunku. Różne kierunki walcowania grafenu dają różne (n, m) wskaźniki chiralne.

Innymi słowy: kierunek walcowania grafenu → Inny indeks chiralny → Inna struktura pasma → Metaliczny lub półprzewodnikowy.

Wczesne badania eksperymentalne nad jednościennymi-nanorurkami węglowymi udowodniły już, że ich właściwości elektroniczne są powiązane z kierunkiem ułożenia i średnicą grafitowej struktury ścianki rurki.

Dlatego nie jest możliwe bezpośrednie określenie, czy SWCNT jest metaliczny czy półprzewodnikowy na podstawie oględzin, zwykłych obrazów SEM lub po prostu „rozmiaru średnicy rurki”.

II. Jaki jest indeks chiralny (n,m) jedno-nanorurek węglowych o ściankach?

Wskaźnik chiralny (n,m) to najważniejszy parametr strukturalny pozwalający określić typ elektroniczny jedno-nanorurek węglowych.

W dwu-wymiarowej siatce grafenowej dwie liczby całkowite n i m można wykorzystać do opisania kierunku walcowania nanorurki węglowej.

Na przykład:

(6,5)

(7,5)

(9,9)

(10,0)

(12,6)

Wygląda na to, że są to tylko dwie liczby całkowite, ale w rzeczywistości odpowiadają różnym:

Średnice rur

Kąty chiralne

Metody porządkowania atomów

Elektroniczne struktury pasmowe

Przejścia optyczne

Właściwości transportu elektrycznego

Badania pokazują, że jednościenne-nanorurki węglowe mogą mieć setki różnych struktur, z których każda jest określona przez współczynnik chiralny (n,m) i odpowiada różnym przejśćom optycznym.

Podstawowa zależność między indeksem chiralnym a typem elektronicznym

Powyższa klasyfikacja to klasyczna metoda oceny idealnej struktury elektronowej jednościennych nanorurek węglowych.

III. Jak określić typ metaliczny lub półprzewodnikowy za pomocą wzorów?

Najbardziej bezpośrednią metodą jest obliczenie reszty z dzielenia (n-m) przez 3.

Na przykład:

Przykład 1: (9,9)

9−9=0

0 modów 3=0

Dlatego:

(9,9) → Metaliczny

Jest to również typowa-typu fotela-jednościenna nanorurka węglowa.

Przykład 2: (10,0)

10−0=10

10 modów 3=1

Dlatego:

(10,0) → Półprzewodnik

Przykład 3: (10,7)

10−7=3

3 mody 3=0

Dlatego:

(10,7) → Należy do typu metalicznego w idealnym modelu pierwszego-rzędu.

Przykład 4: (8,6)

8−6=2

2 mody 3=2

Dlatego:

(8,6) → Półprzewodniki.

Tę metodę oceny można uporządkować w bardzo prostej tabeli:

Dlatego też, jeśli dostawca może dostarczyć jasne (n, m) dane dotyczące rozkładu chiralności, możliwa jest ocena typów metalicznych i półprzewodnikowych na poziomie strukturalnym.

IV. Czy wszystkie jedno-ścienne nanorurki węglowe o mod (n-m) 3=0 są naprawdę metaliczne?

Ściśle mówiąc, nie jest możliwe po prostu zrozumienie wszystkich SWCNT z (n-m) mod 3=0 jako metali idealnych z całkowicie zerowym pasmem wzbronionym.

Jest to bardzo ważny punkt w faktycznych zakupach i komunikacji technicznej.

W klasycznym przybliżeniu-ścisłego wiązania (n−m) mod 3=0 odpowiada metaliczności; jednakże w przypadku lamp innych niż typu-fotel- efekty takie jak krzywizna i mieszanie orbitalne π mogą spowodować powstanie bardzo małego pasma wzbronionego. Dlatego niektóre tak zwane „metaliczne” lampy chiralne są dokładniej klasyfikowane jako pół-metale lub półprzewodniki o bardzo małej przerwie wzbronionej.

Niedawne badania ACS również wyraźnie wskazują, że SWCNT z (n−m) mod 3=0 są ogólnie klasyfikowane jako metaliczne, ale niektóre lampy chiralne inne niż n=m mogą teoretycznie mieć bardzo małe przerwy wzbronione.

Dlatego w profesjonalnych dokumentach technicznych:

Metaliczny SWCNT ≠ We wszystkich przypadkach ściśle zerowy odstęp wzbroniony.

Zwłaszcza w zastosowaniach urządzeń elektronicznych ostatecznego zachowania urządzenia nie można ocenić wyłącznie na podstawie prostej reguły mod 3.

V. Jakie są różnice w wydajności między metalowymi i półprzewodnikowymi nanorurkami węglowymi o pojedynczych-ścienkach?

Metaliczne SWCNT są bardziej odpowiednie do wykorzystania ich właściwości o wysokiej przewodności, podczas gdy półprzewodnikowe SWCNT są bardziej odpowiednie do urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych wymagających przestrajalnego transportu nośnego.

Właściwości elektroniczne SWCNT są ściśle powiązane z chiralnością, a półprzewodnikowe nanorurki węglowe były już stosowane w-tranzystorach polowych, urządzeniach logicznych, elastycznej elektronice i innych kierunkach.

VI. Czy spektroskopia Ramana może rozróżnić metaliczne i półprzewodnikowe nanorurki węglowe o pojedynczych-ścienkach?

Do oceny można wykorzystać charakterystyczne piki w spektroskopii Ramana, ale Ramana nie można po prostu zrównać „proporcji powierzchni piku” z prawdziwą proporcją typów metali i półprzewodników w próbce.

Jest to jedna z najbardziej godnych uwagi kwestii eksperymentalnych przy ocenie metalicznych i półprzewodnikowych jedno-nanorurek węglowych.

RBM (tryb oddychania promieniowego) w spektroskopii Ramana jest bardzo czuły na średnicę i chiralność nanorurki węglowej, więc pozycja piku RBM i warunki rezonansu mogą pomóc w identyfikacji określonych struktur (n, m).

Badania wykazały, że Ramana można używać do chiralnej identyfikacji metalicznych SWCNT, a bardzo wysoką rozdzielczość energii można uzyskać dzięki charakterystyce elektronicznego rozpraszania Ramana.

Jednakże,:

Nie można po prostu założyć, że „intensywność piku metalicznego RBM ÷ wszystkie intensywności szczytowe RBM=zawartość metalu”.

Powodem jest to, że na sygnały Ramana wpływają:

Długość fali lasera

Warunki rezonansowe

Średnica rury węglowej

Chiralność

Przekrój poprzeczny rozpraszania Ramana-

Przykładowe środowisko

i inne czynniki.

Badania wyraźnie wskazują, że użycie ograniczonej liczby linii laserowych do bezpośredniego oszacowania udziału metali na podstawie liczby pików RBM lub zintegrowanej intensywności może powodować odchylenia.

VII. Jak wykorzystać wartości szczytowe RBM do oceny typu pojedynczej-nanorurki węglowej o ściankach?

RBM to jeden z bardzo ważnych strukturalnych śladów w charakteryzacji Ramana jedno-nanorurek węglowych o pojedynczych ściankach, ale analizę należy połączyć z energią lasera i identyfikacją chiralną.

Piki RBM są zwykle zlokalizowane w obszarze niższej liczby falowej, a ich pozycje pików mają oczywisty związek ze średnicą nanorurki węglowej.

Typową przybliżoną zależność można zapisać jako:

ωRBM ≈ A/d + B

Gdzie:

ωRBM: pozycja szczytowa RBM

d: średnica SWCNT

A, B: Parametry związane z konkretnym modelem i środowiskiem

Dlatego Ramana nie oznacza po prostu „zobaczenie piku mówi ci, czy jest on metaliczny, czy półprzewodnikowy”.

Bardziej niezawodne podejście to:

Szczyt RBM → Oszacuj średnicę rury → Połącz z warunkami rezonansu → Wykonaj identyfikację (n,m) → Oceń typ elektroniczny na podstawie (n-m) mod 3.

Z tego też powodu profesjonalni dostawcy SWCNT muszą posiadać stosunkowo pełne możliwości charakteryzowania strukturalnego.

VIII. Czy spektroskopia UV-vis-NIR pozwala rozróżnić typy metaliczne i półprzewodnikowe?

Tak, a spektroskopia UV-vis-NIR jest jedną z ważnych metod analizy składu metalicznych/półprzewodnikowych SWCNT.

Półprzewodnikowe jednościenne-nanorurki węglowe mają oczywiste przejścia elektronowe, takie jak wspólne cechy S11, S22; metaliczne SWCNT mają różne właściwości przejścia optycznego.

W istniejących badaniach ACS wykorzystano spektroskopię absorpcyjną UV-vis-NIR do analizy stosunku SWCNT metalicznych i półprzewodnikowych i przedstawiono wyniki ilościowe dla próbek wzbogaconych w metal-i półprzewodniki-wzbogacone. Na przykład zawartość metali w niektórych oddzielnych próbkach może osiągnąć 99,5%, a zawartość półprzewodników może osiągnąć 98,9%.

Jednak liczby te są wynikami eksperymentalnymi konkretnych próbek badawczych, a nie uniwersalnymi wskaźnikami, które mogą osiągnąć wszystkie produkty SWCNT.

Dlatego w trakcie zamówienia, jeśli dostawca twierdzi:

"Metallic SWCNT purity >99%"

Najlepiej jeszcze zapytać:

Jaka jest metoda testowania?

Czy bada zawartość metalu lub czystość określonej chiralności?

Czy jest to pojedynczy (n, m) czy mieszanina metali?

Jaki laser/zakres widma jest używany?

Czy istnieją niezależne dane charakteryzujące?

IX. Czy dyfrakcja elektronów może bezpośrednio określić rodzaj metaliczny/półprzewodnikowy jedno-nanorurek węglowych o ściankach?

Dyfrakcja elektronów może zapewnić podstawę strukturalną do oceny typu metalu/półprzewodnika poprzez analizę struktury kryształu i (n,m) wskaźnika chiralnego poszczególnych SWCNT.

Jest to jedna z ważnych metod badania struktury poszczególnych nanorurek węglowych.

W badaniach ACS wykorzystano dyfrakcję elektronów do analizy rozkładu chiralności SWCNT i określenia stosunku metalicznego w próbkach na podstawie poszczególnych nanorurek węglowych. Na przykład w jednej próbie badawczej analiza 166 SWCNT wykazała zawartość metali na poziomie około 24%; inna grupa próbek wynosiła około 33%.

To również ilustruje ważną kwestię:

Teoretyczna „około 1/3 metalu, około 2/3 półprzewodnika” jest strukturalną bazą statystyczną i nie oznacza, że ​​jakakolwiek faktycznie wyhodowana próbka będzie ściśle utrzymywać 33,3%/66,7%.

Na rzeczywisty stosunek wpływają:

Katalizator

Temperatura wzrostu

Źródło węgla

Kinetyka wzrostu

Rozkład średnic rur

Selektywność chiralności

i inne czynniki.

X. Dlaczego ceny jedno-nanorurek węglowych o pojedynczych ściankach mogą się tak bardzo różnić?

Różnice w cenach SWCNT są często związane z czystością, stopniem kontroli chiralności, stosunkiem metal/półprzewodnik, rozkładem średnic rurek i poziomem-po obróbce, a nie tylko „zawartością nanorurek węglowych”.

Zwykłe mieszane SWCNT i półprzewodnikowe SWCNT-o wysokiej czystości to nie ta sama logika zakupów.

Uzyskanie jednolitych SWCNT o dobrze-określonej średnicy, długości, chiralności i właściwościach elektronicznych zawsze było ważnym celem w tej dziedzinie. Ścieżki badawcze obejmują selektywny wzrost i separację po-syntezie.

XI. Jak wybrać pomiędzy metalowymi a półprzewodnikowymi jedno-nanorurkami węglowymi o ściankach?

Jeśli Twoją podstawową potrzebą jest przewodność, zazwyczaj musisz skupić się na stosunku metalicznym; jeśli celem są tranzystory lub urządzenia półprzewodnikowe, należy skupić się na czystości półprzewodników i specyficznej chiralności.

Wstępną ocenę można wydać na podstawie wniosku:

Należy podkreślić, że stwierdzenie „metal jest lepszy” lub „półprzewodnik jest lepszy” nie są dokładnymi metodami oceny materiałów.

O właściwym wyborze powinno decydować urządzenie końcowe i system materiałowy.

XII. Dlaczego producenci-jednościennych nanorurek węglowych muszą kontrolować chiralność?

Ponieważ w-zaawansowanych zastosowaniach SWCNT kontrolowanie chiralności tak naprawdę kontroluje właściwości elektroniczne i optyczne materiału końcowego.

Do głównych obecnych szlaków technicznych należą:

Selektywny wzrost

Kontrola chiralności

Separacja po-syntezie

Separacja metaliczna/półprzewodnikowa

Separacja pojedynczej-chiralności

W przypadku zwykłych materiałów kompozytowych bardzo wysoka czystość chiralności może nie być wymagana.

Gdyby nie:

CNT-FET

Elastyczne tranzystory

Nanolaserowe urządzenia logiczne

Fotodetektory

Urządzenia optoelektroniczne-bliskiej podczerwieni

Czujniki jedno-molekularne

Znaczenie kontroli chiralności znacznie wzrośnie.

XIII. Jako pojedynczy-producent nanorurek węglowych o ściankach, w jaki sposób firma Shandong Tanfeng sprawdza się w różnych zastosowaniach?

Rozwój produktu w postaci jednościennych nanorurek węglowych firmy Shandong Tanfeng może pozwolić na ustanowienie odpowiedniego związku wokół „parametrów strukturalnych-typu elektronicznego-końcowego zastosowania”, a nie tylko dostarczenie produktu SWCNT o ujednoliconej specyfikacji.

W przypadku klientów chcących kupić jednościenne-nanorurki węglowe komunikacja może koncentrować się na następujących parametrach:

1. Podstawowa struktura pojedynczej-nanorurki węglowej

Obejmuje:

Średnica rury

Długość

Proporcje

Specyficzna powierzchnia

Czystość węgla

Zanieczyszczenia metaliczne

Zawartość węgla amorficznego

2. Typ elektroniczny

W zależności od potrzeb klienta, dalszą uwagę można zwrócić na:

Metaliczny SWCNT

Półprzewodnikowy SWCNT

SWCNT-wzbogacony metalikiem

Półprzewodnik-wzbogacony SWCNT

3. Informacje o chiralności

W przypadku zaawansowanych-aplikacji można zwrócić większą uwagę na:

rozkład (n,m).

Kąt chiralny

Rozkład średnic rur

Specyficzny stopień wzbogacenia chiralności

4. Charakterystyka widmowa

W zależności od potrzeb produktu i zastosowania, można zwrócić uwagę na:

Ramana

RBM

Stosunek G/D

UV-w porównaniu z-NIR

PL

Inna charakterystyka strukturalna/kompozycyjna

Jest to szczególnie ważne dla przedsiębiorstw badawczo-rozwojowych i produkcyjnych, które muszą kupować wysokiej-jednościenne-nanorurki węglowe o wysokiej czystości, półprzewodnikowe jedno-nanorurki węglowe i metalowe-nanorurki węglowe o pojedynczych ściankach.

XIV. Do jakich zastosowań bardziej nadają się produkty z pojedynczymi-ściennymi nanorurkami węglowymi firmy Shandong Tanfeng?

Shandong Tanfeng może zapewnić klientom dopasowanie produktów do materiałów elektronicznych, materiałów przewodzących i materiałów kompozytowych-o wysokiej wydajności, dostosowanych do różnych typów elektroniki SWCNT i wymagań strukturalnych.

Urządzenia elektroniczne

W przypadku klientów potrzebujących półprzewodnikowych SWCNT można przeprowadzić dopasowanie specyfikacji w zakresie współczynnika półprzewodników, rozkładu chiralności i właściwości optycznych.

Folie przewodzące

W przypadku zastosowań takich jak przezroczyste folie przewodzące można skupić się na stosunku metalicznym, zdolności do tworzenia sieci i rezystancji folii.

Czujniki

SWCNT są stosunkowo wrażliwe na adsorpcję powierzchniową i lokalne zmiany ładunku i mogą być wykorzystywane do różnych typów opracowywania materiałów czujnikowych.

Przewodzące materiały kompozytowe

Jeśli celem aplikacji jest utworzenie sieci przewodzącej o niskim-dodatku, konieczne jest wszechstronne uwzględnienie długości, średnicy, czystości, stanu dyspersji i rodzaju elektroniki SWCNT.

Jako pojedynczy-producent nanorurek węglowych o ściankach, Shandong Tanfeng może dopasować specyfikacje na podstawie dwuwymiarowych-wskaźników struktury produktu i charakterystyki-w zależności od konkretnych potrzeb klienta, zamiast po prostu sprzedawać pod trzema słowami „SWCNT”.

XV. Często zadawane pytania: metalowe i półprzewodnikowe nanorurki węglowe o pojedynczych-ścienkach

1. Dlaczego jednościenne-nanorurki węglowe dzielą się na metaliczne i półprzewodnikowe?

Ponieważ różne kierunki walcowania grafenu dają różne struktury chiralne, a struktury chiralne określają dozwolone poziomy energii elektronowej i struktury pasmowe.

2. Jak ocenić typ SWCNT na podstawie (n,m)?

Oblicz (n-m) mod 3 dla klasycznej oceny-pierwszego rzędu.

Reszta z 0 → Metaliczny;
Pozostała część 1 lub 2 → Półprzewodnik.

3. Jakiego typu jest (6,5) jedno-jednościenna nanorurka węglowa?

(6−5)=1, zatem (6,5) należy do półprzewodnikowego SWCNT.

4. Jakiego typu jest (9,9)?

(9−9)=0, zatem (9,9) to typowy fotel metaliczny SWCNT.

5. Czy Raman może dokładnie zmierzyć zawartość metali?

Ramana można używać do charakteryzowania typu metalicznego/półprzewodnikowego i chiralności, ale dokładnego stosunku metalicznego nie można uzyskać bezpośrednio poprzez pojedynczy obszar piku RBM lub liczbę pików. Warunki rezonansu, długość fali lasera i przekroje poprzeczne rozpraszania Ramana-różnych chiralności – wszystko to wpływa na wyniki.

6. Czy metalowe SWCNT są koniecznie bardziej przewodzące niż półprzewodnikowe SWCNT?

Z definicji struktury elektronicznej wynika, że ​​typ metaliczny ma prawie{{0}zero przerwę wzbronioną, ale na przewodnictwo rzeczywistych materiałów wpływają również defekty, styki, domieszkowanie ładunku,-styki międzylampowe i struktura sieci.

7. Jaki jest teoretyczny stosunek typów metalicznych i półprzewodnikowych w jedno-ściennych nanorurkach węglowych?

W modelu statystycznym idealnego losowego rozkładu chiralności jest to około 1/3 metalu i 2/3 półprzewodnika, ale rzeczywiste wyhodowane próbki mogą znacznie odbiegać od tego stosunku.

Ocena typu pojedynczej-ściennej nanorurki węglowej: najpierw spójrz na (n, m), a następnie spójrz na dane charakteryzujące

Aby odróżnić metaliczne i półprzewodnikowe jednościenne-nanorurki węglowe, najważniejszą rzeczą nie jest wygląd, ale struktura chiralna i wyniki charakterystyki elektronicznej.

Najbardziej podstawową logikę oceny można podsumować jako: (n,m) indeks chiralny → (n−m) mod 3 → Metaliczny/półprzewodnikowy → Raman, UV-vis-NIR i inna weryfikacja eksperymentalna.

Jeśli tylko przeprowadzamy podstawową ocenę strukturalną, reguła (n, m) jest już bardzo praktyczna. Jeśli wprowadzasz faktyczne zamówienia na produkty, nie możesz jedynie przyjrzeć się formułom teoretycznym, ale musisz także bardziej skoncentrować się na:

Czystość jednościennych-nanorurek węglowych

Stosunek metal/półprzewodnik

Rozkład średnic rur

Rozkład długości

Rozkład chiralności

Dane Ramana

Dane UV-w porównaniu-NIR

Dane PL

Zanieczyszczenia metaliczne

Konsystencja partii

Zwłaszcza w przypadku SWCNT-klasy elektronicznej określenie, czy jest on jednościenny-” to tylko pierwszy krok. „Jaka chiralność, jaki typ elektroniki i jaka czystość” naprawdę determinuje jego wartość aplikacyjną.

Jako producent jednościennych nanorurek węglowych, Shandong Tanfeng może zapewnić wsparcie w wyborze od podstawowych jednościennych nanorurek węglowych-do określonych produktów elektronicznych spełniających wymagania produktu SWCNT dotyczące parametrów metalicznych, półprzewodnikowych i innych parametrów strukturalnych, a także łączyć dane ramanowskie, spektroskopowe i inne dane charakteryzujące, aby pomóc klientom ocenić, czy produkt nadaje się do docelowego zastosowania.

W przypadku klientów zagranicznych poszukujących jedno-ściennych nanorurek węglowych, półprzewodnikowych SWCNT, metalicznych SWCNT i SWCNT o-wysokiej czystości, zamiast po prostu porównywać ceny, lepiej najpierw sprawdzić, czy typ układu elektronicznego, rozkład chiralności i dane charakteryzujące rzeczywiście spełniają wymagania aplikacji.