碳纳米管结构可控生长研究的新发现

北大化学与分子工程学院李彦教授课题组在单壁碳纳米管手性可控生长研究上取得重要突破,该项成果于2014年6月26日在《自然》杂志上发表(Nature, DOI 10.1038/nature13434)。

据预测,基于硅基CMOS集成电路的微电子技术在未来十年左右将趋近于发展的极限,发展后摩尔时代的纳电子技术已迫在眉睫。2009年,国际半导体路线图委员会推荐基于碳纳米管和石墨烯的碳基电子学技术作为未来10-15年可能显现商业价值的新一代电子技术。材料是碳基电子学发展的基础和关键,然而迄今人们仍没有办法实现碳纳米管的结构可控生长,这已经成为制约碳基电子学发展的瓶颈问题。

单壁碳纳米管可看作是由石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圆柱体,根据卷曲方式(通常称为“手性”)的不同,可以是金属性导体或带隙不同的半导体。这是碳纳米管的一个独特而优异的性质,但同时也是碳纳米管制备上的巨大挑战。用一般方法合成的样品均为不同结构的碳纳米管组成的混合物,而单一手性单壁碳纳米管的选择性生长成为一个难题,经过国内外科学家二十余年的努力仍未找到有效的解决方案。 

李彦教授课题组经过十二年的潜心研究,逐步深化了对碳纳米管的生长机制和催化剂作用的认识,在此基础上提出了一种实现单壁碳纳米管结构/手性可控生长的方案。他们发展了一类钨基合金催化剂,其高熔点的特性确保了单壁碳纳米管在高温环境下的生长过程中保持晶态结构,其独特的原子排布方式可用来调控生长的碳纳米管的结构,从而实现了单壁碳纳米管的结构/手性可控生长。他们利用这种方法生长出了含量高于92%(12, 6)型碳纳米管。通过调控催化剂的结构,他们还实现了(16,0)和(14,4)碳纳米管的选择性生长。更多的实验结果表明该方法具有普适性。

该研究为解决单壁碳纳米管的结构可控生长这一困扰学界已久的难题提供了一种可能的方案,为碳纳米管的应用,尤其是碳基电子学的发展奠定了基础。

以上研究工作在国家自然科学基金委员会杰出青年基金和科技部重大研究计划纳米专项课题资助下完成,并得到了香港理工大学、中科院物理所、上海同步辐射光源等单位的协助。 

来源:北京大学