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單壁碳納米管（SWCNTs）由于其優(yōu)異的電荷傳輸性能、良好的溶液加工性，高柔性，優(yōu)異的力學(xué)性能和高的導(dǎo)熱性能，優(yōu)異的機(jī)械穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，在電子器件和光電子器件上有廣泛的應(yīng)用，例如，透明導(dǎo)電膜電極，薄膜晶體管，邏輯電路，柔性可穿戴電子器件，化學(xué)與生物傳感器，超級電容器，太陽能電池等。其中，以SWCNTs作為有源層材料所制備的薄膜晶體管電學(xué)性能優(yōu)異、特征尺寸更小、穩(wěn)定性好、散熱更快、運(yùn)行頻率更高，表現(xiàn)出優(yōu)異的器件性能及極大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿Α?/p>

目前商用的通過大批量制備方法所獲得的SWCNTs都是具有不同手性和管徑的m-SWCNTs和s-SWCNTs的混合物。通過物理化學(xué)方法，大規(guī)模的選擇性富集大管徑半導(dǎo)體型單壁碳納米管是實(shí)現(xiàn)高性能的電子器件和光電子器件性能的最為有效的方法。共軛聚合物包覆法是選擇性分離半導(dǎo)體型單壁碳納米管的較為有效的方法。中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所馬昌期研究團(tuán)隊(duì)和趙建文研究團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)并合成了一系列可高效分離高純度半導(dǎo)體型單壁碳納米管的非線性聚合物PDPPb5T，并利用分離得到的墨水制備了性能優(yōu)異的晶體管器件。該方面的研究結(jié)果發(fā)表于Nanoscale, 2016, 8, 4588-4598和 Small, 2016, 12， 5066-5073。 

由于聚合物存在分子量多分散性和分子結(jié)構(gòu)不明確的特點(diǎn)，且聚合物的分子量對單壁碳納米管的分散和分離有較大的影響，使選擇分離的單壁碳納米管在器件應(yīng)用中易于出現(xiàn)批次性差異，在一定程度上限制了其實(shí)際應(yīng)用。有機(jī)小分子不存在批次間重復(fù)性差的問題，但有機(jī)小分子材料分子量較小，有機(jī)小分子與單壁碳納米管之間的π-π相互作用較弱，導(dǎo)致有機(jī)小分子分散的單壁碳納米管墨水的儲存穩(wěn)定性較差。為了實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管的穩(wěn)定分散，往往需要使用大量的分散劑，而大量分散劑的引入對于后續(xù)器件性能有一定的影響。 

近期馬昌期研究團(tuán)隊(duì)和趙建文研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步利用可控合成的方法制備合成了兼具聚合物高分離效率和小分子批次間重復(fù)性好的外圍功能化修飾的樹枝型結(jié)構(gòu)的共軛化合物（圖1），并利用該類樹形化合物進(jìn)行了SWCNT的選擇性分離研究。結(jié)果表明，同線性化合物相比，具有三維樹枝狀的化合物具有更強(qiáng)的SWCNT分散能力（圖2）。這與樹枝型化合物外圍多個功能單元，從而獲得更強(qiáng)的分子間相互作用能力（圖3）。利用該樹形化合物分離的半導(dǎo)體型單壁碳納米管墨水并印刷構(gòu)建的碳納米管薄膜晶體管實(shí)現(xiàn)了高達(dá)57 cm2 V-1 s-1的空穴遷移率，開關(guān)比高達(dá)106，亞閾值擺幅為87-100 mV dec-1（圖4左）。與此同時，歸功于其具有明確的分子結(jié)構(gòu)，所形成的樹形化合物和半導(dǎo)體型單壁碳納米管的復(fù)合物具有更好的批次重復(fù)性和墨水儲存穩(wěn)定性（圖4右）。該研究成果表明，具有明確結(jié)構(gòu)的樹枝狀結(jié)構(gòu)的化合物是一類理想的單壁碳納米管的分離材料，同時由于該類化合物具有明確的化學(xué)結(jié)構(gòu)，可以通過化學(xué)裁剪的方法在其不同位置進(jìn)行精確地可控地功能化修飾，使之成為研究材料結(jié)構(gòu)-性能的優(yōu)越的模型化合物。 

該研究成果近期在線發(fā)表于Adv. Funct. Mater. (DOI: 10.1002/adfm.201703938)。相關(guān)研究結(jié)果共申請發(fā)明專利3項(xiàng)，PCT專利一項(xiàng)。論文共同第一作者為博士研究生高威和助理研究員徐文亞，論文通訊作者是中科院蘇州納米所印刷電子中心馬昌期研究員與趙建文研究員。該項(xiàng)目獲得了國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目(21274163)，中科院前沿研究項(xiàng)目(QYZDB-SSW-SLH031)，中科院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)(XDA09020201)以及蘇州納米所自有項(xiàng)目（Y5AAY21001）等的資金支持。

圖1. 樹形化合物DOT-p-DPP的化學(xué)結(jié)構(gòu) 

圖2. 利用樹枝型DPP化合物選擇性分離半導(dǎo)體型SWCNT的復(fù)合物吸收光譜圖（左）以及兩個化合物與線性共軛聚合物PFO的對SWCNT的分離能力對比

圖3. 樹形化合物6T-p-DPP包覆單壁碳納米管相互作用模擬計(jì)算結(jié)果 

圖4. 利用6T-p-DPP/SWCNT復(fù)合物制備的薄膜晶體管性能（左圖）， 不同批次、儲存不同時間的單壁碳納米管墨水制備的底柵晶體管器件的性能圖（右圖）