Single-walled carbon nanotubes (SWNTs) are one layered carbon sheet rolled in cylindrical form with diameters on the order of one nanometer, lengths ranging from tens of nanometer to centimeters. The electrical properties depend on the direction (chiral vector) in which the carbon sheet is rolled up to form the nanotubes. Approximately 67% of SWNTs are semi-conducting and 33% metallic. Despite excellent thermal, mechanical and electrochemical properties of SWNTs, lack of uniformity in the samples is one of the primary reasons why they are rarely used in commercial applications today. Researchers have invested substantial effort toward the development of post-synthetic sorting schemes to overcome this limitation. Amine is widely used in the process for its selective and enhanced absorption toward semi-conducting SWNTs.
In this work, SWNTs were deposited in sub-monolayer on aminosilane assembled surface by spin coating. SWNTs used in this study were dispersed in various solvents and surfactants to observe the effect on metallic and semi-conducting separation on aminosilane self-assembled surface. The solvents satisfying the following conditions were chosen: (1)SWNTs dispersion are individualized and remain stable (2)Solvents and surfactants are commonly used in industry. On the other hand, to observe the effect of SWNTs side wall defect, SWNTs were carefully treated in acids trying not to destroying the tube itself. After prepared SWNTs dispersions were deposited on the aminosilane treated substrates, the resulting substrates were characterized using Raman spectroscopy (633nm) for it metallic and semi-conducting selectivity.
Next, a novel method for the separation of SWNTs is also described. The process involves simple filtration through the column packed with selective material coated glass beads. The selective beads are prepared by the same procedure used in preparing the aminosilane self-assembled substrate. The fraction which has affinity toward amine functionalized beads flows slower than that of no affinity, resulting possible separation by the flow rate differences. The technique used in this study is preferable because it is scalable, non-destructive, repeatable and affordable. The rapid separation process shows that this approach shows high potential for metallic and semi-conducting separation of SWNTs.
단일벽 탄소나노튜브 (SWNTs) 는 낱장의 탄소 시트(sheet)가 지름이 일 나노미터, 길이가 수십 나노미터에서 수 센티미터에 이르는 원통 모양으로 말린 물질이다. SWNTs의 전기적 특성은 바로 시트가 말린 방향에 따라 결정되며, 약 튜브의 67%가 반도체성 특성을, 나머지 33%가 금속성 특성을 지닌다. 이러한 불일치성 때문에 SWNTs 자체의 열전도성, 물리적, 전기화학적 등 모든 속성이 뛰어남에도 불구하고 오늘날 실제 상용화 되어 응용되는 분야가 전무하다. 이를 해결하기 위하여 많은 연구들이 진행되어 왔으며, 그 중 반도체성 튜브에 선택성을 갖는 아민(amine)을 이용한 분리가 대두되고 있다.
본 연구에서는, 아민실란(aminosilane)을 처리한 표면 위에 SWNTs를 얇은 박막으로 스핀코팅 하여 반도체성 분리를 관찰 하였다. 실험에 사용된 SWNTs는 범용적으로 사용되는, SWNTs를 잘 분산 시킬 수 있다고 알려진 다양한 용매와 분산제를 이용하여 용매가 아민 기판의 선택성에 미치는 영향을 살펴보았다. 한편, SWNTs 벽면의 결점(defect)의 영향을 함께 알아보기 위하여 SWNTs를 파괴하지 않는 한도에서 산 처리를 하여 분산한 것도 비교해 보았다. 아민 기판에 SWNTs를 스핀코팅 한 이후에 라만 스펙트로스코피 (Raman Spectroscopy)를 이용하여 금속성과 반도체성 특성의 선택성을 분석하였다.
또한, 앞선 실험의 응용으로, 새로운 SWNTs의 분리기술을 제안하였다. 컬럼(column)에 선택성을 갖는 화합물을 코팅한 충진물을 채우고 SWNTs용액을 흘려주는 방법을 이용하였다. 사용된 화합물은 앞선 실험과 마찬가지로 아민실란을 이용하였으며, 아민과 선택성을 보이는 반도체성 SWNTs는 금속성 튜브보다 컬럼을 천천히 통과할 것이라 가정하였다. 즉, 컬럼을 빠르게 통과하는 초반의 SWNTs용액은 금속성 특성이 두드러지게 나타날 것이며, 천천히 통과하는 나중의 용액은 반도체성 특성이 강하게 나타날 것이다. 실제로 실험을 해본 결과, 아민과 SWNTs사이의 선택성에 따른 컬럼을 통과하는 속도의 차이에 의한 금속성 및 반도체성 특성의 SWNTs을 성공적으로 분리할 수 있었다.
