Small Science—— 一维范德华异质结纳米管

WILEY开放获取(OA)旗舰期刊Small Science近日发表了来自东京大学丸山茂夫(Shigeo Maruyama)教授的关于一维范德华异质结纳米管的展望文章。文章中丸山教授介绍了目前一维范德华异质结的制备现状及当前挑战,并且展望了其将来或可用来构建多种不同结构的电子、光电器件。请点击文后阅读全文了解详细内容。

随着石墨烯等二维纳米材料研究的兴起,由不同二维材料原子层堆叠而成的范德华异质结成为当前研究热点。由于范德华异质结的构建不依赖于晶型、晶格常数的匹配,通过简单机械剥离-堆叠的方法,研究者可获得多种通过传统外延方法无法获得的结构,并从中发现了很多全新的物理现象。然而,范德华异质结的概念之前仅限于二维材料,其他维度材料能否堆叠构成范德华异质结仍未有定论。丸山教授和他的合作者们最近在Science上报道了使用化学气相沉积法可控制备单壁碳纳米管-氮化硼纳米管-硫化钼纳米管的同轴异质结,透射电镜表征证明了各层纳米管均为高质量单晶。[1] 该工作成功将范德华异质结概念推广至非二维体系,为纳米材料领域打开了一个全新研究方向。

构建完美的一维范德华异质结需要以高质量的单壁碳纳米管为起始材料(starting material)。以此单壁碳纳米管为模板,利用化学气相沉积法在纳米管表面形成成核点并生长成为完整的单层或多层氮化硼纳米管。该制备过程中,保持碳纳米管表面及反应腔室内的高洁净度是制备完美异质结纳米管的关键所在。而任何无意引入的杂质原子或团簇都会导致因多点成核而无法获得高质量单晶异质结纳米管。获得单壁碳纳米管-氮化硼纳米管异质结之后,再通过传统粉末CVD或是金属有机CVD、分子束外延等方法二次生长,可以获得三层结构的异质结材料(图1)。莱斯大学Yakobson教授及德雷塞尔大学Gogotsi教授曾评价该过程类似于俄罗斯套娃(Russian nesting dolls)。[2]

图一 一维范德华异质结纳米管的结构模型与制备过程。


传统一维材料如碳纳米管的生长过程需要以金属颗粒作为催化剂,但异质结纳米管的生长遵循完全不同的开口(open-end)生长模式。以碳纳米管-氮化硼纳米管为例,前驱体硼烷氨(ammonia borane)需要直接添加到外层氮化硼纳米管端部的悬键处方可实现晶体生长。类似的过程之前被称为“纳米管克隆”。这一非催化过程也使得外层氮化硼纳米管的生长极慢,速度较碳纳米管催化生长低2-5个量级。因此,合成超长单晶异质结是目前研究的难点之一。但是由于硫化钼等过渡金属硫化物(TMDC)生长即使在无催化剂的情况下亦可达到较高的生长速度,文章认为基于TMDC的异质结纳米管或可很快实现长尺寸制备。除了超长单晶异质结纳米管制备之外,文章也提出了如何实现异质结纳米管的宏量制备以及如何实现内外层手性(电学性能)可控的异质结纳米管的制备思路。

当前二维材料群中材料种类、性能的多样性也为一维异质结纳米管的构建及应用研究提供了极大的发展空间。在一个典型的三层结构的一维范德华异质结纳米管中,单壁碳纳米管为金属或半导体材料,氮化硼为绝缘体,最外层硫化钼纳米管为半导体。该三层纳米管构成了一个典型的金属-绝缘体-半导体(MIS)同轴结或半导体-绝缘体-半导体pn结。这些同轴环形异质结的电学、光电性能还尚无研究。除可能实现与二维异质结相似的电学、光电特性外,文章认为异质结纳米管将具有诸如偏振相关性等一维材料特性。此外,若能在单壁碳纳米管-氮化硼纳米管异质结外再制备出金属性的碳纳米管层作为栅极,将有望搭建环栅型(gate-all-around)场效应管。

最后,文章也指出目前已有部分理论工作预测,由于特殊一维构造及晶体对称性,异质结纳米管中或可发现全新的物理现象。另外,除光电器件外,当前预印本中已有报道称该全新的材料群在电化学、催化、热管理领域也可能具有应用潜力。相关论文发表在Small Science上。(DOI:10.1002/smsc.202000039) [3]

图二 不同堆叠的一维范德华异质结纳米管的构造以及基于这些结构可能构建的电子、光电器件。

  • Science 2020, 367, 537.
  • Science 2020, 367, 506.
  • Small Sci. 2021, 2000039.

本文作者

Rong Xiang received his Bachelor’s from University of Science and Technology of China in 2003, Master’s from Tsinghua University in 2006, and Ph.D. from The University of Tokyo in 2009. He is currently an associate professor at Department of Mechanical Engineering, the University of Tokyo. His research interests include 1) synthesis and energy application of single‐walled carbon nanotubes, 2) transmission electron microscopic characterization of nanomaterials, and 3) development of novel low‐dimensional materials and structures.

Shigeo Maruyama, FRSC, received his Ph.D. from the University of Tokyo in 1988. Since 2014, he has been a distinguished professor at Department of Mechanical Engineering, the University of Tokyo. His research interests include thermal engineering, molecular dynamics simulation, nanocarbon materials, and solar cell applications. He developed the so‐called alcohol catalytic chemical vapor deposition (ACCVD) process for the synthesis of single‐walled carbon nanotube. He served as the president of “The Fullerenes, Nanotubes and Graphene Research Society” during 2011–2020 and is currently the co‐chair of the steering committee of “International Conference on Science and Application of Nanotubes and Low‐Dimensional Materials” (NT).