Nature刊發(fā)化學(xué)學(xué)院李彥教授課題組碳納米管結(jié)構(gòu)可控生長(zhǎng)研究的新發(fā)現(xiàn)

時(shí)間：2014-06-26 09:14  作者：  來(lái)源：化學(xué)與分子工程學(xué)院

　　北大化學(xué)與分子工程學(xué)院李彥教授課題組在單壁碳納米管手性可控生長(zhǎng)研究上取得重要突破，該項(xiàng)成果于2014年6月26日在《自然》雜志上發(fā)表（Nature, DOI 10.1038/nature13434）。

　　據(jù)預(yù)測(cè)，基于硅基CMOS集成電路的微電子技術(shù)在未來(lái)十年左右將趨近于發(fā)展的極限，發(fā)展后摩爾時(shí)代的納電子技術(shù)已迫在眉睫。2009年，國(guó)際半導(dǎo)體路線(xiàn)圖委員會(huì)推薦基于碳納米管和石墨烯的碳基電子學(xué)技術(shù)作為未來(lái)10-15年可能顯現(xiàn)商業(yè)價(jià)值的新一代電子技術(shù)。材料是碳基電子學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，然而迄今人們?nèi)詻](méi)有辦法實(shí)現(xiàn)碳納米管的結(jié)構(gòu)可控生長(zhǎng)，這已經(jīng)成為制約碳基電子學(xué)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。

　　單壁碳納米管可看作是由石墨烯沿一定方向卷曲而成的空心圓柱體，根據(jù)卷曲方式(通常稱(chēng)為“手性”)的不同，可以是金屬性導(dǎo)體或帶隙不同的半導(dǎo)體。這是碳納米管的一個(gè)獨(dú)特而優(yōu)異的性質(zhì)，但同時(shí)也是碳納米管制備上的巨大挑戰(zhàn)。用一般方法合成的樣品均為不同結(jié)構(gòu)的碳納米管組成的混合物，而單一手性單壁碳納米管的選擇性生長(zhǎng)成為一個(gè)難題，經(jīng)過(guò)國(guó)內(nèi)外科學(xué)家二十余年的努力仍未找到有效的解決方案。?

　　李彥教授課題組經(jīng)過(guò)十二年的潛心研究，逐步深化了對(duì)碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)制和催化劑作用的認(rèn)識(shí)，在此基礎(chǔ)上提出了一種實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管結(jié)構(gòu)/手性可控生長(zhǎng)的方案。他們發(fā)展了一類(lèi)鎢基合金催化劑，其高熔點(diǎn)的特性確保了單壁碳納米管在高溫環(huán)境下的生長(zhǎng)過(guò)程中保持晶態(tài)結(jié)構(gòu)，其獨(dú)特的原子排布方式可用來(lái)調(diào)控生長(zhǎng)的碳納米管的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)了單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)/手性可控生長(zhǎng)。他們利用這種方法生長(zhǎng)出了含量高于92%的（12, 6）型碳納米管。通過(guò)調(diào)控催化劑的結(jié)構(gòu)，他們還實(shí)現(xiàn)了（16,0）和（14,4）碳納米管的選擇性生長(zhǎng)。更多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法具有普適性。

圖1 以鎢基合金納米晶為催化劑生長(zhǎng)單一手性的單壁碳納米管

圖2 利用吸收光譜（a）和拉曼光譜（b）測(cè)得的（12, 6）型管的含量

　　該研究為解決單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)可控生長(zhǎng)這一困擾學(xué)界已久的難題提供了一種可能的方案，為碳納米管的應(yīng)用，尤其是碳基電子學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

　　以上研究工作在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)杰出青年基金和科技部重大研究計(jì)劃納米專(zhuān)項(xiàng)課題資助下完成，并得到了香港理工大學(xué)、中科院物理所、上海同步輻射光源等單位的協(xié)助。?

　　編輯：安寧