Półprzewodnikowe nanorurki węglowe sortowane polimerowo dla tranzystorów i ogniw słonecznych

Matthew J. Shea¹, Gerald J. Brad¹, Juan Zhao^{1, 2}, Meng-Yin Wu³, Harold T. Evensen³

¹Department of Materials Science and Engineering, University of Wisconsin-Madison, USA, ²School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, China, ³Department of Electrical and Computer Engineering, University of Wisconsin-Madison, USA

Wprowadzenie

Jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT) są obiecującymi materiałami do zastosowania w kanale aktywnym tranzystorów polowych (FET), warstwach fotoabsorbujących ogniw słonecznych i fotodetektorach ze względu na ich ultraszybką mobilność transportu ładunku,¹ przestrajalne przerwy pasmowe w bliskiej podczerwieni,² i silną absorpcyjność optyczną.³ Zastąpienie tradycyjnych półprzewodników półprzewodnikowymi SWCNT (s-SWCNT) może utorować drogę do postępu w wielu zastosowaniach: wysokowydajnych obliczeniach, wysokiej przepustowości i wysokiej wydajności komunikacji bezprzewodowej, urządzeniach do noszenia i energii odnawialnej.

Jednym z istotnych wyzwań w rozwoju tych zastosowań przy użyciu SWCNT jest ich niejednorodność elektroniczna. Zsyntetyzowane SWCNT zawierają mieszaninę zarówno metalicznych SWCNT (m-SWCNT), jak i s-SWCNT w stosunku 1:2. Obecność m-SWCNTs ogranicza wydajność urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych poprzez tworzenie ścieżek zwarć elektrycznych i szybkie wygaszanie fotoekscytacji w pobliskich s-SWCNTs.

W ostatniej dekadzie nastąpił znaczący postęp w postsyntetycznym sortowaniu i izolacji s-SWCNTs. Ten artykuł podkreśla jeden z najbardziej obiecujących systemów sortowania, pochodne polifluorenu. Materiał ten jest w stanie izolować s-SWCNT do czystości większej niż 99,9%, a także sortować SWCNT według ich średnicy i pasma wzbronionego, z których oba są określone przez chiralność (n,m) każdego SWCNT. Wykorzystaliśmy wyjątkową czystość elektronową s-SWCNT, które zostały przygotowane przy użyciu polifluorenów, aby wykorzystać niezwykłe właściwości s-SWCNT w konwencjonalnych tranzystorach, w elastycznych i rozciągliwych tranzystorach oraz w urządzeniach fotowoltaicznych.

Oddzielanie

Opracowano szereg obiecujących metod oddzielania s-SWCNTs od mieszanin m- i s-SWCNTs, w tym chromatografię kolumnową,⁴ sortowanie DNA,⁵ ultrawirowanie w gradiencie gęstości,⁶ i separacja dwufazowa.⁷ Metody oparte na wykorzystaniu sprzężonych polimerów do sortowania SWCNT według typu elektronowego są prawdopodobnie najbardziej obiecujące. Nish i in.⁸ zidentyfikowali selektywność s-SWCNT rodziny aromatycznych polifluorenów, w szczególności poli[9,9-dioktylofluoreno-2,7-diylu] (PFO) (Prod. No. 571652). Korzystając z prostego, łatwego do skalowania, jednogarnkowego przetwarzania, byli w stanie wyizolować kilka (n,m) chiralności s-SWCNT z polidyspersyjnej mieszaniny SWCNT o średnicach w zakresie od 0,8 do 1,2 nm. Widma podobnie wyizolowanych roztworów SWCNT pokazano na Rysunku 1.

Rysunek 1. Struktury chemiczne A) cholanu sodu i B) PFO. C) Widma absorpcyjne SWCNT wyizolowanych przez sonikację w wodnym roztworze cholanu sodu (czarny) i roztworze PFO w toluenie (niebieski). Zidentyfikowano obszary zawierające sygnatury widmowe S₁ (niebieskie cieniowanie), S₂ (zielony) i metaliczne (pomarańczowy). Co ważne, SWCNT posortowane według PFO są całkowicie wolne od sygnatur absorpcji m-SWCNT.

Surfaktant cholanu sodu (Prod. No. 27029) (Rysunek 1A) solubilizuje zarówno m-, jak i s-SWCNT, co widać po sygnaturach absorpcji metalicznej w pobliżu 500 nm. PFO (Rysunek 1B) wybiera tylko określone (n,m) s-SWCNT, jednocześnie prawie nie rozpraszając m-SWCNT. Późniejsze badania pozwoliły na dalsze dostosowanie rozkładu średnicy i kąta chiralnego selektywności poprzez zastosowanie wyjściowego materiału SWCNT o węższym rozkładzie średnicy początkowej oraz poprzez dodanie naprzemiennych jednostek kopolimerowych do szkieletu PFO. Wśród tych selektywnych kopolimerów wykazano, że poli[(9,9-dioktylofluorenylo-2,7-diylo)-alt-co-(6,6'-(2-2'-bipirydyna)] (PFO-BPy) ma znaczną selektywność dla (6,5) nanorurek⁹ z procesu syntetycznego CoMoCAT (Prod. No. 773735), a także szeregu chiralności nanorurek o średnicach bliskich 1,5 nm¹⁰ z procesu syntezy łukowo-wyładowczej (Prod. No. 698695). Wiele innych sprzężonych polimerów i kopolimerów również wykazało różne stopnie selektywności.^11-14

Mechanizm selektywności tych polimerów nie jest dobrze poznany, chociaż wiadomo, że składniki szkieletu i długość alkilowego łańcucha bocznego¹³ mają drastyczny wpływ na średnicę SWCNT, kąt chiralny i selektywność typu elektronowego. W pracy naszej grupy zbadaliśmy konformację i współczynnik wiązania PFO na powierzchni trzech różnych średnic SWCNT w funkcji stężenia PFO w dyspersji.¹⁵ Podobne metody mogą być stosowane do badania selektywności nowo opracowanych selektywnych polimerów do izolacji specyficznej dla chiralności niszy. Skuteczność separacji s-SWCNT za pomocą pochodnych PFO jest wyjątkowa, wykraczająca poza czułość obecnych narzędzi metrologicznych. Scharakteryzowaliśmy typ elektroniczny 5 519 SWCNT wyizolowanych przez PFO-BPy przy użyciu pomiarów tranzystora polowego i nie znaleźliśmy jeszcze ani jednego m-SWCNT, co wskazuje na czystość typu półprzewodnikowego wynoszącą co najmniej 99,98%.¹⁶ Dzięki dalszym udoskonaleniom w przetwarzaniu i charakteryzacji, czystość s-SWCNT przekraczająca 99,9999% (mniej niż 1 ppm m-SWCNT) może być wykonalna.

Tranzystory

SWCNT o wysokiej czystości są atrakcyjnym materiałem kanałowym dla różnych typów tranzystorów polowych ze względu na ich wysoką mobilność transportu ładunku i zdolność przenoszenia prądu, a także ich przetwarzalność w roztworze i doskonałą odporność mechaniczną.^17,18 Schemat podstawowego backgated FET pokazano na Rysunku 2A. S-SWCNT są stykane od góry elektrodami palladowymi i leżą płasko na podłożu SiO₂/Si, które służy do elektrostatycznego modulowania przewodności kanału. Ważnymi parametrami dla scharakteryzowania wydajności FET są przewodność kanału, gdy bramka jest otwarta ("włączona") oraz stosunek on/off, który jest stosunkiem przewodności w stanie "włączonym" do przewodności, gdy bramka jest zamknięta ("wyłączona"). Przewodność FET w stanie włączenia jest zwykle znormalizowana do szerokości urządzenia i zależy od takich parametrów jak długość kanału FET, jakość s-SWCNT, styki źródła i drenu oraz wyrównanie s-SWCNT. Współczynnik włączenia/wyłączenia zależy przede wszystkim od tego, jak dobrze można wyłączyć kanał. m-SWCNT nie można wyłączyć, a niski współczynnik włączenia/wyłączenia obserwuje się, gdy m-SWCNT albo bezpośrednio mostkują kanał, albo tworzą perkolującą sieć, która mostkuje kanał.

Rysunek 2. Architektura i wydajność SWCNT FET. A) Schemat pojedynczego SWCNT FET. B) Charakterystyka prądowo-napięciowa wyrównanego SWCNT FET przy polaryzacji drenu źródła -1 V (czarna) i -0.1 V (czerwona). C) Porównanie wydajności najnowocześniejszych tranzystorów SWCNT FET z wydajnością tranzystorów SWCNT FET przedstawionych w niniejszej pracy (czerwone i zielone gwiazdki). Zaadaptowano za zgodą z Reference 16, prawa autorskie 2014, American Chemical Society.

Nawet jeśli obecne są m-SWCNT, możliwe jest osiągnięcie wysokiego współczynnika włączenia/wyłączenia FET w pewnych warunkach. Jednym z podejść było wdrożenie losowych sieci SWCNT, które działają w reżimie perkolacji, umożliwiając pewną odporność na nieliczne m-SWCNT, jeśli nie tworzą one ścieżki perkolacji od źródła do drenu. Te SWCNT FET mogą osiągać wysokie współczynniki włączania/wyłączania rzędu ~10⁷, jednak przewodność włączania jest zwykle mniejsza niż 10 μS/μm. Takie przewodnictwo dla sieci o szerokości 1 μm jest niższe niż ~30 μS, które można osiągnąć dla pojedynczej nanorurki SWCNT FET ze względu na duże długości kanałów, rzadkość sieci i brak wyrównania.^19-21 Aby zwiększyć przewodnictwo, naukowcy opracowali podejścia do kontrolowanego umieszczania i wyrównywania SWCNT w gęsto upakowane tablice.

Jedno z podejść do wytwarzania wyrównanych SWCNT FET obejmuje bezpośredni wzrost wyrównanych SWCNT poprzez chemiczne osadzanie z fazy gazowej. Jednym z wyzwań związanych z tym podejściem jest to, że wyhodowane tablice SWCNT są mieszaniną typów elektronicznych, a m-SWCNT muszą zostać wypalone.²² Innym wyzwaniem jest to, że gęstość SWCNT jest również stosunkowo niska, a zatem trudno jest osiągnąć wysoką znormalizowaną przewodność, chociaż metody wielokrotnego wzrostu i transferu mogą przezwyciężyć ten problem.^22,23 Kilka grup opracowało metody oparte na roztworach do osadzania wyrównanych macierzy posortowanych s-SWCNT. Zróżnicowane podejścia obejmowały metody Langmuira-Blodgetta²⁴ i Langmuira-Schaefera²⁵ techniki dielektroforetyczne,26 i samoorganizację przez odparowanie.^27,28 Podczas gdy każda z tych metod ma swoje mocne strony, konieczna jest lepsza kontrola gęstości upakowania. Zademonstrowano tablice o ultrawysokiej gęstości (1000 rurek/μm) przy użyciu metody Langmuira-Schaefera, uzyskując przewodność włączania tak wysoką jak 250 μS/μm; jednak ograniczenia w czystości spowodowały, że stosunek włączania do wyłączania był mniejszy niż 1000.²⁵ W naszej pracy nad wysokowydajnymi tranzystorami SWCNT FET wykazaliśmy, że wyrównane ultraczyste polifluorenowe sortowane nanorurki węglowe mogą osiągnąć przewodność i współczynnik włączenia/wyłączenia odpowiednio 260 μS/μm i 2×105 w tym samym urządzeniu.¹⁶

Pływająca samoorganizacja odparowująca SWCNTs

We współpracy z grupą Padmy Gopalan z Uniwersytetu Wisconsin w stanie Wisconsin.z University of Wisconsin-Madison, niedawno zademonstrowaliśmy postępy w zwiększaniu współczynnika włączania/wyłączania i przewodnictwa włączania tranzystorów FET PFO-BPy posortowanych s-SWCNT poprzez wyrównanie SWCNT za pomocą pionierskiej techniki o nazwie Floating Evaporative Self-Assembly (FESA).²⁹ W FESA podłoże jest wyciągane z wodnej subfazy, na którą dostarczane są małe kropelki "atramentu" SWCNT (mianowicie owinięte polimerem SWCNT rozpuszczone w chloroformie) w pobliżu podłoża (schematycznie przedstawione na Rysunku 3A). Atrament szybko rozprzestrzenia się po powierzchni wody, a cienka warstwa zwilża podłoże. Ta lotna warstwa atramentu szybko odparowuje i osadza pasek wyrównanych, niepowiązanych s-SWCNT, który rozciąga się na szerokość podłoża. Odstępy między paskami i gęstość SWCNT w każdym pasku można kontrolować za pomocą parametrów osadzania. Obrazy skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM) i mikroskopii sił atomowych (AFM) wyrównanych SWCNT w obrębie pojedynczego paska przedstawiono na Rysunkach 3B-C, gdzie profil wysokości AFM wskazuje, że folia składa się z przybliżonej monowarstwy zindywidualizowanych SWCNT. Ogólnie rzecz biorąc, wynikiem FESA jest szybkie osadzanie SWCNT w wyrównane tablice, które można dostosować do skalowalnej integracji w szerokiej gamie zastosowań mikroelektronicznych.

Rysunek 3. Wyrównanie i charakterystyka warstw SWCNT przygotowanych za pomocą pływającego samoorganizacji wyparnej. A) Schemat procesu eksperymentalnego FESA. B) Obraz SEM wyrównanych SWCNT wytworzonych przez osadzanie FESA. C) Obraz w trybie stukania mikroskopu sił atomowych wyrównanych SWCNT. Wstawiony profil wysokości wzdłuż przekroju poprzecznego wyrównanych SWCNT wskazuje monowarstwę izolowanych SWCNT. Zaadaptowano za zgodą z Reference 29, copyright 2014, American Chemical Society.

Wysokowydajne tranzystory

Wykorzystaliśmy naszą pracę nad FESA, aby wyprodukować nanorurkowe tranzystory FET o najwyższej wydajności do tej pory, wykorzystując przewodnictwo i stosunek włączenia do wyłączenia jako kluczowe wskaźniki.¹⁶ Prąd źródło-dren wyrównanego tranzystora SWCNT FET jest wykreślony jako funkcja napięcia bramki na Rysunku 2B. Pomiar służy do wyodrębnienia wartości przewodności włączenia i stosunku włączenia do wyłączenia wynoszących odpowiednio 260 μS/μm i 2×10⁵.¹⁶ Jak pokazano na Rysunku 2C, w porównaniu z poprzednimi najnowocześniejszymi tranzystorami SWCNT FET, osiągnęliśmy znaczny wzrost wydajności w zakresie współczynnika on/off i przewodności.^{16,19,20,22,23,25,28,30-35} Zaobserwowaliśmy 1400-krotny wzrost współczynnika on/off w porównaniu z poprzednimi najnowocześniejszymi SWCNT FET o przewodności na szerokość 250 μS/μm. Podobnie, osiągnięto 30-100-krotnie większą przewodność na szerokość w porównaniu do najnowocześniejszych tranzystorów SWCNT FET o wysokim współczynniku włączenia/wyłączenia. Doskonała wydajność urządzeń wynikała z wysokiej czystości półprzewodników i wysokiego stopnia wyrównania macierzy SWCNT. Co więcej, doskonała wydajność wynikała z tego, że SWCNT pozostały odizolowane i niepowiązane podczas ich osadzania, co zminimalizowało szkodliwe przesłuchy między SWCNT i poprawiło kontakty elektroda/SWCNT. Dodatkowo, wykorzystaliśmy te matryce FET do pomiaru czystości półprzewodników w oparciu o wielkość współczynnika włączenia/wyłączenia. Te tranzystory FET zawierają 5 519 SWCNT o stosunku włączenia do wyłączenia większym niż 5×10³, co wskazuje, że czystość półprzewodników wynosi co najmniej 99,98%. Wyniki te podkreślają obietnicę wyrównanych polifluorenowych SWCNT i FESA dla cienkowarstwowych FET nowej generacji i zastosowań obliczeniowych.

Elastyczne i rozciągliwe tranzystory

Doskonała odporność mechaniczna³⁶ SWCNT otwiera drzwi do ich zastosowania w nowych typach urządzeń i obwodów elektronicznych, które nie są ograniczone do sztywnych podłoży, ale mogą być zintegrowane na elastycznych, elastomerowych lub niekonwencjonalnych podłożach, takich jak odzież, papier lub tkanka biologiczna, która może się zginać, zginać, a nawet rozciągać.^37-39 Aby wyprodukować wysoce elastyczne i rozciągliwe cienkowarstwowe tranzystory FET, ważne jest, aby wziąć pod uwagę mechaniczne zachowanie wszystkich komponentów, w tym kanału, elektrod i dielektryka oraz interfejsów między nimi, pod wpływem odkształceń. Nasza grupa wyprodukowała wysoce rozciągliwe tranzystory FET poprzez osadzanie losowych sieci posortowanych PFO-SWCNT na wstępnie rozciągniętych podłożach elastomerowych i wyboczenie cienkich warstw sieci poprzez uwolnienie odkształcenia.⁴⁰ Styki składają się z wyboczonych cienkich warstw złota/chromu, a polimerowy przewodnik jonowy jest używany jako elastyczny dielektryk. Wyprodukowane w ten sposób tranzystory FET mogą działać pod naprężeniem przekraczającym 50% bez poświęcania wydajności elektrycznej w zakresie współczynnika włączenia/wyłączenia lub mobilności,⁴⁰ jak pokazano na Rysunku 4.

Rysunek 4. A) Obraz SEM wyboczonej folii s-oSWCNT po zwolnieniu wstępnego naprężenia i demonstracja B) elastyczności i C,D) rozciągliwości. E) Prądy włączenia (Ion) i wyłączenia (Ioff) oraz ruchliwość (μ) w funkcji odkształcenia rozciągliwych FET. Zaadaptowano za zgodą z Reference 40, copyright 2014 American Chemical Society.

Optoelektronika z nanorurek węglowych

Operacja urządzenia

S-SWCNTs są obiecującymi fotoabsorberami dla fotowoltaicznych ogniw słonecznych i fotodetektorów nowej generacji, ponieważ są silnymi absorberami optycznymi z przestrajalnymi przerwami pasmowymi, transportują energię i ładunek w ultraszybkich skalach czasowych, są stosunkowo stabilne chemicznie i można je przetwarzać w roztworach. Zastosowanie s-SWCNT jako wydajnego składnika pochłaniającego światło w urządzeniach fotowoltaicznych stało się możliwe dopiero niedawno wraz z pojawieniem się metod eliminacji m-SWCNT, o których wiadomo, że wygaszają fotowzbudzenia w pobliskich s-SWCNT.

Jednym z wyzwań jest to, że absorpcja optyczna w s-SWCNT wytwarza pary elektron-dziura znane jako ekscytony. Elektrony i dziury w ekscytonach są związane ze sobą energią, która wynosi 100 meV, znacznie powyżej energii termicznej w temperaturze pokojowej, tłumiąc ich spontaniczną dysocjację i rozdzielenie na wolne ładunki, które są potrzebne do wytworzenia energii elektrycznej.⁴¹ Wykazaliśmy, że możliwe jest przezwyciężenie energii wiązania ekscytonów poprzez parowanie cienkich warstw s-SWCNT z innymi półprzewodnikami w celu utworzenia heterozłączy.⁴² Heterozłącze musi mieć przesunięcie pasma przekraczające energię wiązania ekscytonów, aby umożliwić skuteczną dysocjację ekscytonów. Na przykład fulleren-C₆₀ (Prod. Nr. 572500, 379646 and 483036) jest doskonałym akceptorem elektronów dla cienkich warstw polifluorenu o dużym paśmie wzbronionym, w tym (6,5), (7,5), (7,6) i (8,6) chiralności. Wewnętrzna wydajność kwantowa (IQE), która określa ułamek zaabsorbowanych fotonów, które skutkują oddzielonymi parami elektron-dziura, które są gromadzone na stykach urządzenia przy zerowym polaryzacji, wynosi 85% dla tych gatunków, gdy grubość warstwy SWCNT jest mniejsza niż ~ 5 nm.⁴³ IQE heterozłącza SWCNT/C₆₀ spada do mniej niż 50%, gdy stosowane są SWCNT (8,7) i (9,7) ze względu na malejące przesunięcie pasma i niższą siłę napędową dysocjacji ekscytonów.⁴⁴

Kolejnym czynnikiem wpływającym na IQE jest długość dyfuzji ekscytonów. W dwuwarstwowym urządzeniu heterozłączowym fotogenerowane ekscytony muszą dyfundować do heterointerfejsu SWCNT/C₆₀ (gdzie nastąpi dysocjacja), zanim ekscytony ulegną rekombinacji i zostaną utracone w postaci ciepła. Ekscytony mogą dyfundować wzdłuż długiej osi SWCNT (wewnątrz rurki) lub przenosić się między SWCNT (między rurkami). W warstwach SWCNT odlewanych z roztworu, SWCNT przyjmują morfologię leżącą. Dyfuzja ekscytonów do warstwy C₆₀ musi zachodzić poprzez przeskok między rurkami. Podczas przeskakiwania między rurkami, ekscytony mają tendencję do przeskakiwania z dużych do małych pasm wzbronionych (tj. transfer energii w dół). Ponieważ nanorurki o małym paśmie wzbronionym są mniej wydajnymi donorami i pułapkami dla ekscytonów, ważne jest, aby ich unikać, oprócz unikania m-SWCNT. W niedawnym badaniu modelowym odkryliśmy, że rozkład chiralności s-SWCNT może znacząco wpływać na długość dyfuzji ekscytonów,⁴⁵ z najdłuższymi długościami dyfuzji ekscytonów przewidywanymi dla warstw prawie monochiralnych s-SWCNT.

Najnowsze osiągnięcia

Używając prawie monochiralnych warstw (7,5) SWCNTs, Bindl i in. zgłosili monochromatyczną wydajność konwersji energii na poziomie 7.1% przy przejściu S₁ nanorurek (7,5).⁴⁶ Późniejsza optymalizacja przeprowadzona przez Shea et al. dała sprawność konwersji energii na poziomie prawie 1.0% (Rysunki 5A-D) przy symulowanym napromieniowaniu słonecznym (AM1.5G).⁴⁷ Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że fotoabsorbujące warstwy SWCNT napędzające konwersję energii w tych urządzeniach mają zaledwie kilka nanometrów grubości. Można oczekiwać, że wzrost grubości folii SWCNT przyniesie odpowiedni wzrost wydajności konwersji energii. Jednak Bindl i Shea et al. zauważyli, że zoptymalizowana zewnętrzna wydajność kwantowa i konwersja mocy leży przy grubości warstwy s-SWCNT wynoszącej 5-8 nm. Uważa się, że krótka długość dyfuzji ekscytonów między rurkami⁴⁸  (omówiona wcześniej) ogranicza maksymalną osiągalną grubość warstwy, zanim zmniejszona wydajność dyfuzji ekscytonów przeważy nad jakimkolwiek wzrostem absorpcji uzyskanym z grubszej warstwy.

Wspólną metodą uniknięcia problemu krótkiej długości dyfuzji ekscytonów jest wytwarzanie masowych lub mieszanych urządzeń heterozłączowych, w których materiał akceptora nigdy nie znajduje się dalej niż długość dyfuzji ekscytonów od fotogenerowanego ekscytonu w donorze. Większość polimerowych urządzeń typu bulk heterojunction (BHJ) jest wytwarzana poprzez odlewanie roztworów zawierających zarówno polimerowy donor, taki jak P3HT, jak i fulerenowy akceptor o podobnym stężeniu. Jedną z komplikacji związanych z zastąpieniem zwykłego P3HT:fullerenowego BHJ analogiem SWCNT:fulleren jest stosunkowo niska rozpuszczalność SWCNT owiniętych PFO w porównaniu do małocząsteczkowych akceptorów elektronów pochodnych fullerenu. Ye i in. opracowali jedno z rozwiązań tego problemu, wytwarzając aerożele s-SWCNT i wypełniając je roztworem pochodnej fullerenu.⁴⁹ W ten sposób osiągnięto znacznie wyższą gęstość optyczną przy przejściach SWCNT bez ograniczania ścieżek dyfuzji ekscytonów. Ye i in. odnotowali maksymalną sprawność konwersji energii AM1.5G na poziomie 1,7% (Rysunki 5E-H). Inni badacze również niedawno donosili o ekscytujących postępach w kierunku wykorzystania s-SWCNT w absorbujących światło komponentach ogniw słonecznych^50,51 i fotodetektorach.⁵²

Rysunek 5. A) Skaningowy mikrograf elektronowy warstwy s-SWCNTs. Skala 200 nm. B,C) Schemat dwuwarstwowego heterozłączowego ogniwa słonecznego s-SWCNT/C60. D) Wydajność dwuwarstwowego ogniwa słonecznego przy oświetleniu AM1.5G. Zaadaptowane za zgodą z Reference 47, copyright 2013 American Institute of Physics. E) Mikrograf przekroju poprzecznego heterozłącza wytworzonego przez interkalację aerożelu s-SWCNT przez PC71BM. Pasek skali wynosi 100 nm. F, G) Schemat urządzenia dla ogniwa słonecznego typu bulk heterojunction s-SWCNT:PC71BM. H) Wydajność ogniwa słonecznego przy oświetleniu AM1.5G. Zaadaptowano za zgodą z Reference 49, prawa autorskie 2014 Wiley.

Wnioski

Sortowanie polifluorenu zapewnia prostą, skalowalną metodę uzyskiwania s-SWCNT do zastosowań elektronicznych i optoelektronicznych. Dzięki czystości typu elektronicznego wynoszącej co najmniej 99,98%, s-SWCNT wyizolowane w tym procesie są atrakcyjnymi materiałami dla wielu urządzeń elektronicznych i optoelektronicznych nowej generacji. Nasza grupa specjalizuje się we wprowadzaniu polifluorowanych s-SWCNT do wysokowydajnych tranzystorów FET, elastycznych i rozciągliwych urządzeń oraz jako materiał fotoabsorbujący w ogniwach słonecznych i fotodetektorach. Postępy w izolacji i przetwarzaniu będą nadal poprawiać wydajność urządzeń opartych na SWCNT i poszerzać wiedzę na temat właściwości i zachowań tych jednowymiarowych materiałów.

Podziękowania

Dziękujemy za wsparcie ze strony National Science Foundation (CMMI-1129802), University of Wisconsin National Science Foundation Materials Research Science and Engineering Center (MRSEC) (DMR-1121288), National Science Foundation (DMR-1350537), U. S. Army Research Office (W9.Biuro Badań Armii Stanów Zjednoczonych (W911NF-12-1-0025) oraz Biuro Badań Naukowych Sił Powietrznych (FA9550-12-1-0063). GJB dziękuje również za wsparcie z National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program w ramach grantu nr DGE-1256259.

Referencje

1. Dürkop T, Getty SA, Cobas E, Fuhrer MS. 2004. Extraordinary Mobility in Semiconducting Carbon Nanotubes. Nano Lett.. 4(1):35-39. https://doi.org/10.1021/nl034841q

2. Weisman RB, Bachilo SM. 2003. Dependence of Optical Transition Energies on Structure for Single-Walled Carbon Nanotubes in Aqueous Suspension:  An Empirical Kataura Plot. Nano Lett.. 3(9):1235-1238. https://doi.org/10.1021/nl034428i

3. Avouris P, Freitag M, Perebeinos V. 2008. Carbon-nanotube photonics and optoelectronics. Nature Photon. 2(6):341-350. https://doi.org/10.1038/nphoton.2008.94

4. Liu H, Nishide D, Tanaka T, Kataura H. 2011. Large-scale single-chirality separation of single-wall carbon nanotubes by simple gel chromatography. Nat Commun. 2(1): https://doi.org/10.1038/ncomms1313

5. Zheng M, Jagota A, Semke ED, Diner BA, Mclean RS, Lustig SR, Richardson RE, Tassi NG. 2003. DNA-assisted dispersion and separation of carbon nanotubes. Nature Mater. 2(5):338-342. https://doi.org/10.1038/nmat877

6. Arnold MS, Green AA, Hulvat JF, Stupp SI, Hersam MC. 2006. Sorting carbon nanotubes by electronic structure using density differentiation. Nature Nanotech. 1(1):60-65. https://doi.org/10.1038/nnano.2006.52

7. Khripin CY, Fagan JA, Zheng M. 2013. Spontaneous Partition of Carbon Nanotubes in Polymer-Modified Aqueous Phases. J. Am. Chem. Soc.. 135(18):6822-6825. https://doi.org/10.1021/ja402762e

8. Nish A, Hwang J, Doig J, Nicholas RJ. 2007. Highly selective dispersion of single-walled carbon nanotubes using aromatic polymers. Nature Nanotech. 2(10):640-646. https://doi.org/10.1038/nnano.2007.290

9. Ozawa H, Ide N, Fujigaya T, Niidome Y, Nakashima N. 2011. One-pot Separation of Highly Enriched (6,5)-Single-walled Carbon Nanotubes Using a Fluorene-based Copolymer. Chem. Lett.. 40(3):239-241. https://doi.org/10.1246/cl.2011.239

10. Mistry KS, Larsen BA, Blackburn JL. 2013. High-Yield Dispersions of Large-Diameter Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes with Tunable Narrow Chirality Distributions. ACS Nano. 7(3):2231-2239. https://doi.org/10.1021/nn305336x

11. Berton N, Lemasson F, Poschlad A, Meded V, Tristram F, Wenzel W, Hennrich F, Kappes MM, Mayor M. 2014. Selective Dispersion of Large-Diameter Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes with Pyridine-Containing Copolymers. Small. 10(2):360-367. https://doi.org/10.1002/smll.201301295

12. Wang H, Koleilat GI, Liu P, Jiménez-Osés G, Lai Y, Vosgueritchian M, Fang Y, Park S, Houk KN, Bao Z. 2014. High-Yield Sorting of Small-Diameter Carbon Nanotubes for Solar Cells and Transistors. ACS Nano. 8(3):2609-2617. https://doi.org/10.1021/nn406256y

13. Gomulya W, Costanzo GD, de Carvalho EJF, Bisri SZ, Derenskyi V, Fritsch M, Fröhlich N, Allard S, Gordiichuk P, Herrmann A, et al. 2013. Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes on Demand by Polymer Wrapping. Adv. Mater.. 25(21):2948-2956. https://doi.org/10.1002/adma.201300267

14. Lemasson F, Berton N, Tittmann J, Hennrich F, Kappes MM, Mayor M. 2012. Polymer Library Comprising Fluorene and Carbazole Homo- and Copolymers for Selective Single-Walled Carbon Nanotubes Extraction. Macromolecules. 45(2):713-722. https://doi.org/10.1021/ma201890g

15. Shea MJ, Mehlenbacher RD, Zanni MT, Arnold MS. 2014. Experimental Measurement of the Binding Configuration and Coverage of Chirality-Sorting Polyfluorenes on Carbon Nanotubes. J. Phys. Chem. Lett.. 5(21):3742-3749. https://doi.org/10.1021/jz5017813

16. Brady GJ, Joo Y, Wu M, Shea MJ, Gopalan P, Arnold MS. 2014. Polyfluorene-Sorted, Carbon Nanotube Array Field-Effect Transistors with Increased Current Density and High On/Off Ratio. ACS Nano. 8(11):11614-11621. https://doi.org/10.1021/nn5048734

17. 2009. Carbon Nanotube Electronics.

18. Chau R, Doyle B, Datta S, Kavalieros J, Zhang K. 2007. Integrated nanoelectronics for the future. Nature Mater. 6(11):810-812. https://doi.org/10.1038/nmat2014

19. Sun D, Timmermans MY, Tian Y, Nasibulin AG, Kauppinen EI, Kishimoto S, Mizutani T, Ohno Y. 2011. Flexible high-performance carbon nanotube integrated circuits. Nature Nanotech. 6(3):156-161. https://doi.org/10.1038/nnano.2011.1

20. Sangwan VK, Ortiz RP, Alaboson JMP, Emery JD, Bedzyk MJ, Lauhon LJ, Marks TJ, Hersam MC. 2012. Fundamental Performance Limits of Carbon Nanotube Thin-Film Transistors Achieved Using Hybrid Molecular Dielectrics. ACS Nano. 6(8):7480-7488. https://doi.org/10.1021/nn302768h

21. Javey A, Guo J, Wang Q, Lundstrom M, Dai H. 2003. Ballistic carbon nanotube field-effect transistors. Nature. 424(6949):654-657. https://doi.org/10.1038/nature01797

22. Kang SJ, Kocabas C, Ozel T, Shim M, Pimparkar N, Alam MA, Rotkin SV, Rogers JA. 2007. High-performance electronics using dense, perfectly aligned arrays of single-walled carbon nanotubes. Nature Nanotech. 2(4):230-236. https://doi.org/10.1038/nnano.2007.77

23. Ryu K, Badmaev A, Wang C, Lin A, Patil N, Gomez L, Kumar A, Mitra S, Wong HP, Zhou C. 2009. CMOS-Analogous Wafer-Scale Nanotube-on-Insulator Approach for Submicrometer Devices and Integrated Circuits Using Aligned Nanotubes. Nano Lett.. 9(1):189-197. https://doi.org/10.1021/nl802756u

24. Li X, Zhang L, Wang X, Shimoyama I, Sun X, Seo W, Dai H. 2007. Langmuir?Blodgett Assembly of Densely Aligned Single-Walled Carbon Nanotubes from Bulk Materials. J. Am. Chem. Soc.. 129(16):4890-4891. https://doi.org/10.1021/ja071114e

25. Cao Q, Han S, Tulevski GS, Zhu Y, Lu DD, Haensch W. 2013. Arrays of single-walled carbon nanotubes with full surface coverage for high-performance electronics. Nature Nanotech. 8(3):180-186. https://doi.org/10.1038/nnano.2012.257

26. Shekhar S, Stokes P, Khondaker SI. 2011. Ultrahigh Density Alignment of Carbon Nanotube Arrays by Dielectrophoresis. ACS Nano. 5(3):1739-1746. https://doi.org/10.1021/nn102305z

27. Shastry TA, Seo JT, Lopez JJ, Arnold HN, Kelter JZ, Sangwan VK, Lauhon LJ, Marks TJ, Hersam MC. 2013. Large-Area, Electronically Monodisperse, Aligned Single-Walled Carbon Nanotube Thin Films Fabricated by Evaporation-Driven Self-Assembly. Small. 9(1):45-51. https://doi.org/10.1002/smll.201201398

28. Engel M, Small JP, Steiner M, Freitag M, Green AA, Hersam MC, Avouris P. 2008. Thin Film Nanotube Transistors Based on Self-Assembled, Aligned, Semiconducting Carbon Nanotube Arrays. ACS Nano. 2(12):2445-2452. https://doi.org/10.1021/nn800708w

29. Joo Y, Brady GJ, Arnold MS, Gopalan P. 2014. Dose-Controlled, Floating Evaporative Self-assembly and Alignment of Semiconducting Carbon Nanotubes from Organic Solvents. Langmuir. 30(12):3460-3466. https://doi.org/10.1021/la500162x

30. Brady GJ, Joo Y, Singha Roy S, Gopalan P, Arnold MS. 2014. High performance transistors via aligned polyfluorene-sorted carbon nanotubes. Appl. Phys. Lett.. 104(8):083107. https://doi.org/10.1063/1.4866577

31. King B, Panchapakesan B. 2014. Vacuum filtration based formation of liquid crystal films of semiconducting carbon nanotubes and high performance transistor devices. Nanotechnology. 25(17):175201. https://doi.org/10.1088/0957-4484/25/17/175201

32. Kim B, Jang S, Prabhumirashi PL, Geier ML, Hersam MC, Dodabalapur A. 2013. Low voltage, high performance inkjet printed carbon nanotube transistors with solution processed ZrO2 gate insulator. Appl. Phys. Lett.. 103(8):082119. https://doi.org/10.1063/1.4819465

33. Miyata Y, Shiozawa K, Asada Y, Ohno Y, Kitaura R, Mizutani T, Shinohara H. 2011. Length-sorted semiconducting carbon nanotubes for high-mobility thin film transistors. Nano Res.. 4(10):963-970. https://doi.org/10.1007/s12274-011-0152-7

34. Jin SH, Dunham SN, Song J, Xie X, Kim J, Lu C, Islam A, Du F, Kim J, Felts J, et al. 2013. Using nanoscale thermocapillary flows to create arrays of purely semiconducting single-walled carbon nanotubes. Nature Nanotech. 8(5):347-355. https://doi.org/10.1038/nnano.2013.56

35. Iijima S, Brabec C, Maiti A, Bernholc J. 1996. Structural flexibility of carbon nanotubes. The Journal of Chemical Physics. 104(5):2089-2092. https://doi.org/10.1063/1.470966

36. Someya T, Sekitani T, Iba S, Kato Y, Kawaguchi H, Sakurai T. 2004. A large-area, flexible pressure sensor matrix with organic field-effect transistors for artificial skin applications. Proceedings of the National Academy of Sciences. 101(27):9966-9970. https://doi.org/10.1073/pnas.0401918101

37. Cao Q, Kim H, Pimparkar N, Kulkarni JP, Wang C, Shim M, Roy K, Alam MA, Rogers JA. 2008. Medium-scale carbon nanotube thin-film integrated circuits on flexible plastic substrates. Nature. 454(7203):495-500. https://doi.org/10.1038/nature07110

38. Zhou L, Wanga A, Wu S, Sun J, Park S, Jackson TN. 2006. All-organic active matrix flexible display. Appl. Phys. Lett.. 88(8):083502. https://doi.org/10.1063/1.2178213

39. Xu F, Wu M, Safron NS, Roy SS, Jacobberger RM, Bindl DJ, Seo J, Chang T, Ma Z, Arnold MS. 2014. Highly Stretchable Carbon Nanotube Transistors with Ion Gel Gate Dielectrics. Nano Lett.. 14(2):682-686. https://doi.org/10.1021/nl403941a

40. Perebeinos V, Avouris P. 2007. Exciton Ionization, Franz?Keldysh, and Stark Effects in Carbon Nanotubes. Nano Lett.. 7(3):609-613. https://doi.org/10.1021/nl0625022

41. Bindl DJ, Safron NS, Arnold MS. 2010. Dissociating Excitons Photogenerated in Semiconducting Carbon Nanotubes at Polymeric Photovoltaic Heterojunction Interfaces. ACS Nano. 4(10):5657-5664. https://doi.org/10.1021/nn1012397

42. Bindl DJ, Wu M, Prehn FC, Arnold MS. 2011. Efficiently Harvesting Excitons from Electronic Type-Controlled Semiconducting Carbon Nanotube Films. Nano Lett.. 11(2):455-460. https://doi.org/10.1021/nl1031343

43. Wu M, Jacobberger RM, Arnold MS. 2013. Design length scales for carbon nanotube photoabsorber based photovoltaic materials and devices. Journal of Applied Physics. 113(20):204504. https://doi.org/10.1063/1.4805597

44. Bindl DJ, Arnold MS. 2013. Efficient Exciton Relaxation and Charge Generation in Nearly Monochiral (7,5) Carbon Nanotube/C60 Thin-Film Photovoltaics. J. Phys. Chem. C. 117(5):2390-2395. https://doi.org/10.1021/jp310983y

45. Shea MJ, Arnold MS. 2013. 1% solar cells derived from ultrathin carbon nanotube photoabsorbing films. Appl. Phys. Lett.. 102(24):243101. https://doi.org/10.1063/1.4811359

46. Wu M, Jacobberger RM, Arnold MS. 2013. Design length scales for carbon nanotube photoabsorber based photovoltaic materials and devices. Journal of Applied Physics. 113(20):204504. https://doi.org/10.1063/1.4805597

47. Shea MJ, Wang J, Flach JT, Zanni MT, Arnold MS. 2018. Less severe processing improves carbon nanotube photovoltaic performance. APL Materials. 6(5):056104. https://doi.org/10.1063/1.5026853

48. Gong M, Shastry TA, Xie Y, Bernardi M, Jasion D, Luck KA, Marks TJ, Grossman JC, Ren S, Hersam MC. 2014. Polychiral Semiconducting Carbon Nanotube?Fullerene Solar Cells. Nano Lett.. 14(9):5308-5314. https://doi.org/10.1021/nl5027452

49. Ramuz MP, Vosgueritchian M, Wei P, Wang C, Gao Y, Wu Y, Chen Y, Bao Z. 2012. Evaluation of Solution-Processable Carbon-Based Electrodes for All-Carbon Solar Cells. ACS Nano. 6(11):10384-10395. https://doi.org/10.1021/nn304410w

50. Nanot S, Cummings AW, Pint CL, Ikeuchi A, Akiho T, Sueoka K, Hauge RH, Léonard F, Kono J. 2013. Broadband, Polarization-Sensitive Photodetector Based on Optically-Thick Films of Macroscopically Long, Dense and Aligned Carbon Nanotubes. Sci Rep. 3(1): https://doi.org/10.1038/srep01335