单壁碳纳米管（SWCNTs）具有极高载流子迁移率和载流能力，已成为下一代电子和光电子集成电路（IC）的潜在候选者。SWCNTs的能带结构由其原子排列结构决定，具有结构可调的光学和电学性质，建立SWCNTs的光学和电学性质与其结构之间的关系对于设计高性能碳基电子和光电器件至关重要。

近年来由于凝胶色谱的快速发展，已经大规模地制备了各种单手性SWCNTs，使我们能够系统地探索SWCNTs的电输运性质与其手性结构之间的关系，基于通过凝胶色谱分离的多个单手性SWCNTs，中国科学院刘华平团队系统地研究了SWCNTs手性结构的影响，包括（6,5）、（7,3）、（7.5,5），（7,6），（8,4），（9,1），（9.2）、（9,4）、（10,2），（10,3）和（11,1）对电传输性质的影响。结果表明：直径小于1nm的SWCNTs的导电性质取决于其手性结构，而非纳米管直径，比如，（6，5）和（9，1）SWCNT具有相同直径，但（9，2）表现出更高的导通电流和更高的载流子迁移率。观察到明显的类型和家族依赖关系，对于I型SWCNTs（mod（2n+m，3）=1），导通电流和载流子迁移率随着手性角的增加而增加（2n+m=常数），而对于II型SWCNTs（mod（2n+m，3）=2），结果相反。这可以通过它们的电子能带结构的差异来解释，这些差异决定了金属电极和SWCNTs之间的接触势垒高度、结电阻甚至本征电阻，此研究加深了对SWCNTs导电性能的理解，且为高性能碳基电子和光电器件的设计提供了重要的科学指导。

此项研究工作以“Chirality-dependent electrical transport properties of carbon nanotubes obtained by experimental measurement”为题，发表在国际顶级期刊《Nature Communications》上。

为研究SWCNTs的手性结构对导电性能的影响，通过凝胶色谱法分离11种单一手性碳纳米管膜来构建薄膜晶体管，图1a、b显示了单手性SWCNTs溶液的光学吸收光谱，可清楚地识别出每种类型的单手性物质，每一种碳纳米管膜的S11和S22区域中的一个主要光学吸收峰和独特的溶液颜色表明它们具有高手性纯度，多数的手性纯度都高于85%，（6，5）、（7，3）、（7,5）和（8,4）SWCNTs表现出高于90%的手性纯度，通过激发波长为488、514和633nm的拉曼光谱检测每个（n，m）物种中的金属SWCNT，结果表明这些SWCNTs纯度足够高，测得相应薄膜的电性能代表其固有性质，研究中使用的各种单手性SWCNTs包含两种类型和五种族（图1c），在实验中测量的具有代表性的SWCNTs薄膜的电传输性质可充分反映SWCNTs的手征结构对其电性能的影响。基于薄膜晶体管（TFT），测量了SWCNTs的导电性能，在构建TFT之前，通过碱性小分子调控技术制备了密度可控的SWCNTs薄膜，如图1d所示，基于低密度的原子力显微镜（AFM）的SWCNTs薄膜图像，统计分析了它们的长度分布（图1e），每个SWCNTs的平均长度为200至270nm，长度分布没有显著差异，图1f显示了用于构建TFT的高密度SWCNTs膜的典型图像，其线密度控制在约32±5管/µm（图1g）。 

图1：单手性单壁碳纳米管的表征

如图2a所示，在SiO₂/Si 基质上制备SWCNT TFTs的通道长度和宽度为2和20µm，用此测量SWCNTs薄膜的导电性质，使用15nm厚的H_fO₂作为介电层。在沉积H_fO₂层之前，TFT在真空中退火，移动吸附在SWCNTs膜上的O₂分子，O₂分子严重影响SWCNTs TFT的本征性能，图2b–f显示了按家族分类的11种单手性SWCNT TFTs的转移特性，通过比较同一系列不同手性SWCNTs薄膜的电性能，可知II型SWCNTs，对应于p型和n型分支的导通电流随着手性角的增加而减小，而I型SWCNTs则相反。

图2：多种单手性SWCNTs薄膜构成的晶体管的电气特性

为定量比较不同的手性SWCNTs，遵循常规方法提取了导通电流转移曲线的两个分支（p分支和n分支）的迁移率，如图3a-d所示，随着直径增加，导通电流和载流子迁移率都会增加。SWCNTs的类型和手性角对其电传输性质有较大影响，这一点尚未在实验中观察到。对于II型SWCNTs，在同一家族中，与p-和n-分支相对应的导通电流随着手性角的增加而减少，而对于I型单壁CNT，除了（7，5）和（9，1）SWCNT家族外，趋势相反，其中p-分支显示出异常的手性角依赖性。同一家族的SWCNTs，随着手性角的增加，导通电流或载流子迁移率的变化可以高达一个数量级。 

图3：不同直径单手性SWCNT膜构成的晶体管的导通电流和迁移率

TFT传导机制比较复杂，如图4a所示，在TFT的导电沟道中，载流子从源电极注入SWCNTs，在SWCNTs中传输，跨越两个重叠的SWCNTs之间的结，最终被漏电极收集。在这个过程中，载流子的注入和收集应该克服金属电极和半导电SWCNTs之间的肖特基势垒，该势垒在宏观导电行为中表现为接触电阻（图4a中的2R_c）同时，注入后的载流子受到管内传输（图中的SWCNTs电阻（R-CNT））的影响。如图4d，e所示，接触电阻2Rc显示手性角度依赖性，这与导通电流和迁移率几乎相同。

同一家族中，I型SWCNTs和电极之间的肖特基势垒高度（2Rc）随着手性角增加而降低，II型单壁CNT的肖特基垒高度随着手性角增加而增加，通过这种方式，载流子更容易从源电极注入到具有较大手性角的I 型SWCNTs型中。结果，SWCNTs表现出更高的导通电流和载流子迁移率。相反，在同一家族中具有较小手性角的II型SWCNTs具有较高的导通电流和载流子迁移率。

沟道电阻（RL）在TFT性能中也起着关键作用，根据从TFT中提取的RL（图4g，h），沟道电阻对类型和手性角度有依赖性。具有较大手性角的同一家族中的I型SWCNTs表现出较低的电阻，而具有较小手性角的II型SWCNTs具有降低的电阻。SWCNTs的类型和手性角度对结电阻的影响与其对测量的沟道电阻的影响相反，这表明SWCNTs的电阻主要来源于结电阻，结电阻也与重叠面积密切相关，重叠面积大致近似为交叉管之间直径的乘积。因此，直径的增加会降低结电阻，这与通道电阻随着直径的增加而降低一致（图4g，h）。

基于不同SWCNTs的电子能带结构，从理论上分析了它们的类型和手性角对SWCNTs与电极之间的接触电阻、SWCNTs本征电阻和管间接触电阻的影响，解释了关于SWCNTs手性与测量的电性能之间关系，实验测得的电性能对其手性结构的依赖性与理论计算结果并不完全一致。随着SWCNTs周围表面活性剂的去除，SWCNTs手性纯度的进一步提高和界面态密度的降低，可以更准确地预测SWCNTs的电性能对手性结构的依赖性。

图4：不同单手性单壁碳纳米管构成的TFTs的电阻分析 

通过实验测量由11种单手性SWCNTs膜构成的TFT的性能，探索手性SWCNTs结构对其电性能的影响，结果表明，SWCNTs的导电性能由其类型和手性角决定。在同一家族中，随着手性角的增加，I型SWCNT表现出更高的导通电流和更高的迁移率，II型SWCNTs显示出相反的趋势，根据理论计算，手性相关的电性能是从电子能带结构推导出来的，它决定了金属电极与SWCNTs之间的接触势垒高度、本征电阻和管间接触电阻。此研究解释了SWCNTs的手性和电学性质之间的关系，为基于SWCNTs的电子和光电子器件的设计提供了重要的科学指导。

文献链接：https://www.nature.com/articles/s41467-023-37443-7.

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