建⽴碳纳⽶管电学输运性能与其⼿性结构的依存关系对于设计和构建⾼性能碳基器件具有重要意义。⼗多年前，研究⼈员便尝试基于单根碳纳⽶管构建晶体管，探测其电学输运性能与结构的关系。由于单根碳纳⽶管电学信号弱，⼿性结构表征困难，揭示其性能与⼿性结构的关系⼀直⾯临着巨⼤的挑战。多种类单⼀⼿性碳纳⽶管的宏量制备是解决这⼀科学问题的关键。
鉴于此，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼先进材料与结构分析实验室A05组刘华平研究员团队发展了⾼精度凝胶⾊谱技术，在原⼦尺度上对碳纳⽶管⼿性结构进⾏⾼分辨识别和分离，实现了10余种单⼀⼿性碳纳⽶管次毫克量级的制备，为探究碳纳⽶管电学输运性能与⼿性结构的关系提供了材料基础。
最近该研究团队博⼠⽣苏威（已毕业）和李潇在刘华平研究员的指导下，发展了碱性⼩分⼦调控技术精确调控碳纳⽶管薄膜的沉积密度，在此基础上利⽤(6, 5), (7, 3), (7, 5), (7, 6), (8, 4), (9, 1), (9, 2), (9, 4), (10, 2), (10, 3) 和 (11, 1)等11种均匀密度的单⼀⼿性碳纳⽶管薄膜构建晶体管，系统探测了不同⼿性碳纳⽶管薄膜电学输运性能。
这些碳纳⽶管包含两种类型（类型1 (mod (2n + m, 3) = 1)和类型II (mod (2n + m, 3) = 2)）、五个族（每个族，2n+m=常数,（n, m）为碳纳⽶管⼿性指数），因此测试所得碳纳⽶管电学性能与⼿性结构的关系具有普适性。结果发现，即使直径相同但⼿性⻆不同的碳纳⽶管，其薄膜器件的开态电流或载流⼦迁移率可以达到⼀个数量级的差异。
进⼀步分析表明，碳纳⽶管薄膜的电学输运性能具有很强的类型和族的⼿性结构依存性。对于同族碳纳⽶管，随着⼿性⻆的增加，I型碳纳⽶管开态电流和迁移率增加，⽽II型碳纳⽶管表现出相反的趋势。理论分析发现，碳纳⽶管薄膜晶体管电学性能的差异来源于它们不同的能带结构。能带结构上的差异导致了碳纳⽶管薄膜与⾦属电极的接触电阻、管间节电阻以及管内本征电阻等的不同。
该⼯作为⾼性能碳基电⼦、光电⼦器件的设计和应⽤提供了重要的科学指导。
以上研究成果以“Chirality-dependent electrical transport properties of carbon nanotubes obtained by experimental measurement”为题，于3⽉25⽇在Nature Communications [Nat. Commun. 2023, 14, 1672] 期刊在线发表。