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,背景介紹
本文介紹了一種先進的自組裝方法，用于在各種基板上制造可調節的微納米級SWCNT網絡[12-14]。其次，作者展示了這些有組織的架構的集成，以應用于通過創建高度可控的SWCNT和硅基異質結來實現光電器件。這代表了一種新型的基于光電二極管的邏輯器件，它可以由光和電兩種輸入控制，具有高電壓可切換光電流響應性(>1 A/W)，光電壓響應性(>105 V/W)，以及良好的電和光開關比(電:>105和光:>104)[15]。第三，作者還通過用2,2,6,6-四甲基**-官能化證明了這些SWCNT 網絡用于高性能硫化氫（H2S）檢測1-oxyl(TEMPO)[16]。最后，介紹了SWCNT網絡的結構轉化到連續的多壁碳納米管，然后到石墨/多層石墨烯納米帶結構，使用一種新開發的電壓控制方法，稱為“納米管聚變”，這不僅證明了工程碳納米管的sp2結構新方法，而且大大提高了其電和熱輸運性能[17]。
單壁碳納米管組裝
作者使用模板導向流體組件的方法來制備高度組織和對齊的SWCNTs薄膜，它采用了光刻圖案模板輔助浸漬涂層[12–14],[18]。SWCNTs在預先設計的光刻膠通道之間直接組裝在親水性表面上，形成微和納米尺度的高起源SWCNTs側網絡。等離子體處理可以提高流體組裝的質量，增加懸浮鍵和表面親水氫氧根官能團的數量。圖1顯示了模板引導射流組裝方法的詳細程序。圖1A-C顯示了SiO2基板經過等離子體處理，然后用光刻膠旋涂，并通過光刻技術（分別用于微納米級圖案的光刻和電子束光刻）進行圖案化。圖1D展示了使用浸涂機將預先圖案化的基板首先垂直浸入SWCNT去離子(DI)水溶液中，然后以恒定的拉速度逐漸從溶液中提起的過程。圖1E和1C顯示了在去除光刻膠后，在SiO2襯底上的微/納米級溝槽和SWCNT網絡之間形成的SWCNT網絡圖案。圖1G-J顯示了SiO2/Si襯底上的厘米級、毫米級、微米級和納米級組裝的SWCNT網絡。
基于光電應用的SWCNTS和Si異質結
開發基于硅的光子電路組件，例如片上源、調制器、存儲等，是解決傳統硅電路傳輸速度和集成度瓶頸的有希望的方法[19,20]。在這里，作者展示了SWCNT和硅的高度集成和控制異質結可以展示一個完全非常規的、急劇非線性的、反偏相關的光電流。這種新現象為獲得高開關比的多功能模擬和混合數字光電運算提供了新的途徑。可以通過電壓的微小變化獲得大的光電流切換，從而使光電門/器件具有邏輯輸出，具體取決于光學和電子輸入的邏輯狀態。我們在厘米尺度的晶圓上展示了許多新型光電開關/器件和大量SWCNT架構器件的光刻組裝。圖2A和2E顯示了高密度SWCNT/Si異質結圖案的示意圖和數字照片。SWCNTs通過模板流體法和常規光刻法在輕摻雜p的硅表面組裝為微/納米級器件結構，如圖2F所示。圖2B顯示了SWCNT-Si結的暗和亮I-V曲線，以及具有相似尺寸的金屬硅結中的光電流響應。雖然SWCNT-Si結中的暗I-V遵循傳統二極管整流行為，但電流明顯偏離了傳統行為，即在反偏壓Vr的幾伏內急劇上升幾個數量級，這與相同光源下同等尺寸的傳統金屬-Si肖特基結的發光I-V不同。提出的這些異質結能帶結構的半定量模型表明，急劇的非線性光電流行為可能與SWCNT帶中可用狀態的反向偏置可調總數n(ε=eVr)有關。圖2C展示了SWCNT組件Si傳感器陣列的照片。圖2G顯示了連接到源極和漏極電極的叉指型SWCNT網絡，這相當于兩個背靠背光電二極管形成一個雙向光電晶體管。圖2H顯示了一個混合輸入的光電和門，光和施加的電壓是輸入，測量的電流是輸出。此外，圖2I-J分別顯示了2位和4位數字光輸入、電壓可切換模擬輸出加法器電路；當施加反向電壓時，輸出顯示數字和的模擬等效值。因此，SWCNT-Si結是光電傳感器、光轉換器、光度測量和成像等光電應用的通用平臺。
圖2 新型光電器件示意圖和SWCNT-Si傳感器陣列圖像 A）帶有電極的 SWCNT-Si異質結測試結構(2cm×2cm)；B）典型SWCNT-Si異質結的暗和亮I-V 曲線；C）SWCNT-Si傳感器：0.25兆像素SWCNT-Si傳感器陣列的數碼照片（陣列面積，12mm×12mm）和D）傳感器“核心”的SEM圖像；E）SWCNT-Si異質結結構的數碼照片；F）組裝的SWCNT帶SEM 圖像；G）使用連接到源漏引線的叉指型SWCNT指的雙向光電晶體管。該器件的有源區面積為3mm×200mm；H）具有光和電輸入以及電輸出的與門。結的有源區面積為3mm×100mm，插圖：一組典型的工作條件，確定輸入和輸出條件的“低”和“高”邏輯狀態；I）具有2個光學輸入和一個電氣輸入和輸出的2位加法器/或門；J）4位數模轉換器
帶SWCNT器件的高性能H2S檢測器
SWCNT具有獨特的納米結構、高遷移率、高電流密度、高效電化學表面積等優點，是各種化學傳感器積極研究的對象[8]。由于原始的基于CNT的化學傳感器僅利用其固有的為了克服其在選擇性和靈敏度方面的局限性，用共價或非共價材料對SWCNT進行功能化已被用于進一步提高基于SWCNT的化學傳感器的靈敏度。需要注意的是，因為其一維納米結構，SWCNT對濕度和周圍溫度等環境變化非常敏感。
在開發H2S氣體傳感器時，我們使用TEMPO分子摻雜作為SWCNT表面的催化劑，以提高室溫下通過氧化還原反應檢測H2S的靈敏度。圖3A-D顯示了高度組織的微傳感器器件的SEM圖像，這些器件通過模板導向流體組裝方法，然后涂上TEMPO涂層，制備了大規模的SWCNT網絡圖案。圖3E顯示了用于功能化SWCNTs的TEMPO的化學結構。這種化合物能夠氧化氣態的H2S，可以用作H2S傳感器的傳感分子。圖3F顯示了功能化SWCNT傳感器在不同濃度的H2S氣體下的實時電流變化。圖3G顯示了器件的固有靈敏度和TEMPO功能化后的優勢。另外，根據我們的結果，TEMPO可以被氧化為TEMPO+，這是H2S解離的一個非常重要的產物。TEMPO+到TEMPO-H的還原反應與H2S到S+2H++2e-的解離過程相耦合，因為在空氣中，SWCNT器件由于氧離子（O2）的作用而表現出p型特性。新產生的電子被捐贈給SWCNT，使其不再具