Nahrungsfasern reinigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen effektiv
Eine neue, kostengünstigere Methode trennt einfach und effektiv zwei Arten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Das von Forschern der Nagoya University in Japan entwickelte Verfahren könnte für die Herstellung gereinigter Chargen von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen, die in elektronischen Hochleistungsgeräten verwendet werden können, hochskaliert werden.
Die unerwünschten metallischen SWCNTs deponierten sich am Boden der Lösung, während die gewünschten halbleitenden nach oben schwebten.
Haruka Omachi
Einwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Single-wall carbon nanotubes, SWCNTs) haben ausgezeichnete elektronische und mechanische Eigenschaften und sind daher ideale Kandidaten für den Einsatz in einer Vielzahl von elektronischen Geräten, einschließlich der Dünnschichttransistoren in LCD-Displays. Ein Problem ist, dass nur zwei Drittel der hergestellten SWCNTs für den Einsatz in elektronischen Geräten geeignet sind. Die nützlichen halbleitenden SWCNTs müssen von den unerwünschten metallischen getrennt werden. Der leistungsstärkste Reinigungsprozess, die so genannte wässrige Zwei-Phasen-Extraktion, besteht jedoch derzeit in der Verwendung eines teuren Polysaccharids namens Dextran.
Die Organochemikerin Haruka Omachi und Kollegen der Nagoya University gingen davon aus, dass die Wirksamkeit von Dextran bei der Trennung von Halbleitern und metallischen SWCNTs in den Verbindungen zwischen seinen Glukoseeinheiten liegt. Anstatt Dextran zur Trennung der beiden SWCNT-Typen zu verwenden, versuchte das Team das deutlich preiswertere Isomaltodextran, das viel mehr von diesen Verbindungen aufweist.
Eine Charge SWCNTs wurde 15 Minuten lang in einer Lösung mit Polyethylenglykol und Isomaltodextrin belassen und anschließend für fünf Minuten zentrifugiert. Es wurden drei verschiedene Arten von Isomaltodextrin ausprobiert, jede mit einer unterschiedlichen Anzahl von Verbindungen und einem unterschiedlichen Molekulargewicht. Das Team stellte fest, dass metallische SWCNTs sich vom unteren Isomaltodextrin-Teil der Lösung trennten, während die halbleitenden SWCNTs zum oberen Polyethylenglykol-Teil schwebten.
Die Art von Isomaltodextrin mit hohem Molekulargewicht und den meisten Verknüpfungen war die effektivste (99%) bei der Trennung der beiden Arten von SWCNTs. Das Team fand auch heraus, dass ein anderes Polysaccharid, Pullulan genannt, dessen Glukoseeinheiten mit verschiedenen Arten von Verbindungen verbunden sind, bei der Trennung der beiden Arten von SWCNTs ineffektiv war. Die Forscher deuten darauf hin, dass die Anzahl und Art der Verbindungen im Isomaltodextrin eine wichtige Rolle bei der effektiven Trennung der Kohlenstoff-Nanoröhrchen spielen.
Das Team stellte auch fest, dass ein Dünnschichttransistor mit seinen gereinigten halbleitenden SWCNTs sehr gut abgeschnitten hat.
Isomaltodextrin ist ein preiswertes und weit verbreitetes Polysaccharid, das aus Stärke hergestellt wird, die als Nahrungsfaser verwendet wird. Dies macht sie zu einer kostengünstigen Alternative für das SWCNT-Extraktionsverfahren. Omachi und seine Kollegen sind derzeit in Gesprächen mit Unternehmen, um ihren Ansatz zu kommerzialisieren. Sie arbeiten auch daran, die Leistung von Dünnschichttransistoren mit halbleitenden SWCNTs in flexiblen Displays und Sensorgeräten zu verbessern.
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Originalveröffentlichung
Haruka Omachi, Tomohiko Komuro, Kaisei Matsumoto, Minako Nakajima, Hikaru Watanabe, Jun Hirotani, Yutaka Ohno, and Hisanori Shinohara; "Aqueous two-phase extraction of semiconducting single-wall carbon nanotubes with isomaltodextrin and thin-film transistor applications"; Applied Physics Express; 2019
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