本发明涉及碳基集成电路，具体涉及一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜、制备方法及其应用。
背景技术：
1、半导体性单壁碳纳米管(s-swcnts)因其高载流子迁移率和弹道传输等优异电学特性，成为后摩尔时代新型半导体材料的有力候选之一。然而，s-swcnts的手性多样性会导致基于s-swcnts的场效应晶体管(cnt-fets)存在电学性能波动等问题，从而限制了s-swcnts碳基电子技术在高端ic上的应用。随着碳基材料的深入研究和微纳电子技术的进步，单手性碳纳米管备受关注。单一手性的s-swcnts具有优异的电学性能、可控结构和均匀性能，由于其结构中只包含一种旋转方向的碳原子排列，单手性碳纳米管具有优异的光学、电子和力学性质，因此在纳米科技领域具有广泛的应用前景。然而，目前的单手性碳纳米管制备工艺不够成熟，科学家们对单一手性s-swcnts的研究越来越深入，但是在手性分选和基于单一手性s-swcnts的薄膜制备方面依旧存在很多需要解决的问题，比如筛选方法存在着严重的原料和溶剂浪费问题，成本较高，筛选难度非常大等。
2、此外，突破高密度排列和精准放置单手性阵列碳纳米管的挑战是目前碳基集成电路研究的一个重要课题。
3、公开号为cn110993793a的专利申请公开了一种制备半导体性碳纳米管准阵列薄膜的方法，方法包括：取半导体性碳纳米管，溶解于易挥发有机溶剂中，得到半导体性碳纳米管溶液；取基底，经清洗、烘干后，垂直浸入去离子水中，且仅留出够夹持基底的部分于水面上，此时在基底、去离子水和空气交界处形成三相界面；向三相界面处持续供应半导体性碳纳米管溶液的液滴或喷雾，并将基底从去离子水中垂直拉出；清洗基底，并用高纯度气体吹干，得到半导体性碳纳米管准阵列薄膜。但是，该发明的阵列制备方法效率较低，并且提拉法需要大剂量溶液，造成原料的浪费，限制了其在初期碳基集成电路的探索。
4、公开号为cn 111232954a的专利申请公开了一种高纯度高浓度手性碳纳米管分散液、碳纳米管薄膜及制法，制法包括：将手性单壁碳纳米管原料分散于溶有聚合物分散剂的第一有机溶剂中，形成手性单壁碳纳米管原溶液，之后离心，收集上清液；对该上清液进行浓缩处理，得到浓缩液；对该浓缩液进行超高速离心，并分离获得手性单壁碳纳米管沉淀物；将该手性单壁碳纳米管沉淀物清洗后分散于第二有机溶剂中，获得高纯度高浓度手性单壁碳纳米管分散液。该申请还公开了利用所述高纯度高浓度手性单壁碳纳米管分散液制备高质量单手性单壁碳纳米管薄膜的方法。这些结果为更好地理解聚合物包裹法的机理和改善单手性sswcnts的提取提供了重要信息。
5、lianmao peng团队提出利用闭合回收策略分离s-swcnt(high-yield and low-cost separation of high-purity semiconducting single-walled carbon nanotubeswith closed-loop recycling ofraw materials and solvents)，该方法中碳纳米管和聚合物的原材料以及溶剂都被回收和再利用，经过多次循环和分离后，高半导体纯度和结构质量在每个循环后都保持，具体实现为：将cnt和共轭聚合物(pcz)的原料在甲苯中混合，分散源材料后将悬浮液离心(并且未分散的cnt沉淀到离心管的底部。收集上部90％上清液用于进一步处理，收集沉积物用于下一步循环分离。新的分离循环使用上清液和沉淀作为原料，并在重复上述超声处理和超速离心过程后分离。
6、但是，现有技术存在以下缺点：
7、(1)提拉法在制备混合手性碳纳米管阵列薄膜方面已经取得了显著成果。然而，该方法需要大量碳纳米管溶液，导致了一定程度的原料浪费。此外，长时间的储存也会导致碳纳米管溶液性质的变化，进而影响制备效果。
8、(2)现有的阵列薄膜技术中通常使用混合手性碳纳米管材料。然而，混合手性结构相比于单手性结构更复杂，能级更复杂，其电导率和半导体特性随着手性比例的变化而变化，这会影响到碳基集成电路的性能和稳定性。
9、(3)目前，突破稳定筛选单手性碳纳米管的技术工艺是一个重要的挑战。现有的筛选技术需要复杂的操作步骤或专门设备，导致筛选效率较低。此外，在现有的筛选单手性碳纳米管过程中，过量的溶剂和大部分碳纳米管通常会留在沉淀物中被丢弃，这导致了成本的大幅增加，不利于实际应用。
技术实现思路
1、为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜、制备方法及其应用，利用聚合物筛选法获得高纯度的单手性碳纳米管溶液，并通过循环利用沉淀和溶剂降低分选成本；随后在制备电泳电极的基底上，采用光刻工艺实现了源漏电极并联排布，将单手性碳纳米管溶液滴加在电泳电极上，利用函数发生器在电泳电极上施加正弦交变电流，从而实现了器件沟道中碳纳米管的阵列排布，解决了单手性碳纳米管筛选成本高的问题，提高了碳纳米管阵列薄膜的制备效率和可控性，为单手性碳纳米管薄膜在碳基集成电路中的应用提供了新的途径，具有原材料使用率高、操作简单、工艺稳定的特点。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
3、一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的制备方法，包括以下步骤：
4、步骤1：将碳纳米管粉末原料、共轭聚合物和有机溶剂混合，利用聚合物包裹法筛选单手性碳纳米管，得到高纯度单手性碳纳米管溶液；
5、步骤2，制备电泳电极结构：在基底1上利用光刻工艺制备电泳电极结构，所述电泳电极结构包括利用光刻工艺在基底1上刻蚀的若干电泳电极2，相邻电泳电极2之间刻蚀有若干器件3，所述器件3包括上表面中心处刻蚀的沟道4，沟道4的两侧分别并联排布有源电极5和漏电极6，源电极5和漏电极6分别与两侧的电泳电极2相连接；
6、步骤3，将正弦电压源连接到步骤2制备的电泳电极2上，并将步骤1制备的高纯度单手性碳纳米管溶液滴加在电泳电极之间的缝隙里，调整正弦电压的峰值电压和频率，并控制电泳的加电时长，使单手性碳纳米管溶液中的单手性碳纳米管在器件3的沟道4中呈阵列排布；
7、步骤4，电泳结束后，将步骤3残留的碳纳米管溶液驱离基底1表面，用丙醇清洗基底1表面，并在去离子水中冲洗后使基底1干燥，得到分布于沟道4中的单手性碳纳米管阵列薄膜。
8、所述步骤1中利用聚合物包裹法筛选单手性碳纳米管的具体过程为：
9、步骤1.1：将碳纳米管粉末原料、共轭聚合物和有机溶剂混合，进行分散处理，得到分散均匀的油状分散液；按质量比计，碳纳米管粉末原料：共轭聚合物：有机溶剂＝(1～4)：(1～4)：(1～10)；
10、步骤1.2：对步骤1.1得到的油状分散液进行预离心处理，得到上清液和沉淀物，然后取上清液；将所取的上清液二次高速离心，得到高纯度单手性碳纳米管溶液。
11、所述步骤1.2中预离心的旋转离心力为5000g～30000g，时间为20min～90min，温度为0℃～20℃；二次高速离心的旋转离心力为30000g～70000g，时间为0.5h-20h，温度为0℃～20℃。
12、所述步骤1.2预离心后得到的沉淀物可循环筛选，具体为：在沉淀物中添加共轭聚合物和有机溶剂，充分混合，进行循环分离筛选单手性碳纳米管溶液，循环筛选多次，每次循环筛选得到的高纯度单手性碳纳米管溶液均可用于后续步骤中单手性碳纳米管阵列薄膜的制备，直至沉淀物不再能筛选出单手性碳纳米管为止。
13、所述步骤1中的共轭聚合物优选为聚[(9，9-二辛基芴基-2，7-二基)-alt(6，6′-{2，2′-联吡啶})](pfo-bpy)、聚[(9,9-二正辛基芴基-2,7-二基)-alt-(苯并[2,1,3]噻二唑-4,8-二基)](f8bt)、聚(9，9-二辛基-芴-2，7-二基-吡啶-2，6-二基)(pfp)、(1-辛酰基)-9h-咔唑-2，7-二基-alt-吡啶-2，6-二基](pcp)、聚(9，9-二-n-辛基芴-2，7-二基)(pfo)中的一种。
14、所述步骤1中的有机溶剂优选为甲苯、二甲苯、氯仿中的一种。
15、所述步骤1.1中的分散处理可使用超声破碎仪或剪切力混合器。
16、所述步骤3中正弦电压的峰值电压为0.1v至100v、频率为10hz～1mhz，电泳的加电时长为2s～180s，所述电泳加电时长的选择需保证滴加在电泳电极之间缝隙里的高纯度单手性碳纳米管溶液未被完全蒸发。
17、一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜，由任一所述方法制备获得。
18、一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的应用，应用于电子、光电和能源领域，可制备射频器件、光电器件以及储能器件。
19、相对于现有技术，本发明的有益效果在于：
20、1、本发明步骤1中可循环利用原材料继续进行单手性碳纳米管溶液的分选，与现有技术相比，降低了原材料成本，并在一定程度上简化了分选步骤。
21、2、本发明步骤1中采用聚合物包裹法并采用两次离心工艺进行单手性碳纳米管溶液的筛选，与现有技术相比，能有效回收原材料且高效制备所需的高纯度单手性碳纳米管溶液，具有操作简单、工艺稳定的特点。
22、3、本发明步骤2提供的电泳电极结构可以有效提高碳纳米管阵列薄膜的电泳效率和精准度，具有稳定性、可控性、高效性。
23、4、本发明步骤3中制备了将各晶体管并联连接的共用电泳电极，与现有技术相比，提高了电泳效率，不会破坏晶体管直接相连的电极，在一定程度上保护了晶体管性能。
24、5、本发明步骤4中利用介电电泳法制备阵列排布的单手性碳纳米管薄膜，与现有技术相比，能够节约单手性碳纳米管溶液，现取现用不浪费，具有效率高、节约成本的特点。
25、综上所述，与现有技术相比，本发明利用聚合物筛选法获得高纯度的单手性碳纳米管溶液，并通过循环利用沉淀和溶剂降低分选成本；随后在硅片上，采用光刻工艺制备电泳电极并且实现源漏电极并联排布；将单手性碳纳米管溶液滴加在电泳电极之间的晶体管区域上，利用函数发生器在电泳电极上施加正弦交变电流，从而实现了器件沟道中碳纳米管的阵列排布，解决了单手性碳纳米管筛选成本高的问题，提高了碳纳米管阵列薄膜的制备效率和可控性，为单手性碳纳米管薄膜在碳基集成电路中的应用提供了新的途径。
1.一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中利用聚合物包裹法筛选单手性碳纳米管的具体过程为：
3.根据权利要求2所述的一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1.2中预离心的旋转离心力为5000g～30000g，时间为20min～90min，温度为0℃～20℃；二次高速离心的旋转离心力为30000g～70000g，时间为0.5h-20h，温度为0℃～20℃。
4.根据权利要求2所述的一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1.2预离心后得到的沉淀物可循环筛选，具体为：在沉淀物中添加共轭聚合物和有机溶剂，充分混合，进行循环分离筛选单手性碳纳米管溶液，循环筛选多次，每次循环筛选得到的高纯度单手性碳纳米管溶液均可用于后续步骤中单手性碳纳米管阵列薄膜的制备，直至沉淀物不再能筛选出单手性碳纳米管为止。
5.根据权利要求1或2或4所述的一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的共轭聚合物优选为聚[(9，9-二辛基芴基-2，7-二基)-alt(6，6′-{2，2′-联吡啶})](pfo-bpy)、聚[(9,9-二正辛基芴基-2,7-二基)-alt-(苯并[2,1,3]噻二唑-4,8-二基)](f8bt)、聚(9，9-二辛基-芴-2，7-二基-吡啶-2，6-二基)(pfp)、(1-辛酰基)-9h-咔唑-2，7-二基-alt-吡啶-2，6-二基](pcp)、聚(9，9-二-n-辛基芴-2，7-二基)(pfo)中的一种。
6.根据权利要求1或2或4所述的一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1中的有机溶剂优选为甲苯、二甲苯、氯仿中的一种。
7.根据权利要求2所述的一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤1.1中的分散处理可使用超声破碎仪或剪切力混合器。
8.根据权利要求1所述的一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤3中正弦电压的峰值电压为0.1v至100v、频率为10hz～1mhz，电泳的加电时长为2s～180s，所述电泳加电时长的选择需保证滴加在电泳电极之间缝隙里的高纯度单手性碳纳米管溶液未被完全蒸发。
9.一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜，其特征在于，由权利要求1-8任一所述方法制备获得。
10.一种基于介电电泳法的单手性碳纳米管阵列薄膜的应用，其特征在于，应用于电子、光电和能源领域，可制备射频器件、光电器件以及储能器件。
