張錦課題組在碳納米管水平陣列的結(jié)構(gòu)控制生長(zhǎng)方面取得突破
時(shí)間：2021-04-06 16:25:03學(xué)院：化學(xué)與分子工程學(xué)院學(xué)校：北京大學(xué)
單壁碳納米管具有優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)等性能，尤其在納電子學(xué)上對(duì)電子和空穴都表現(xiàn)出超高的遷移率，被認(rèn)為是后摩爾時(shí)代最有潛力的制作CMOS集成電路的納米材料之一。碳納米管可看作是由石墨片沿一定方向卷曲而成的空心圓柱體，根據(jù)卷曲方式（通常稱為“手性”）的不同，可以體現(xiàn)金屬性或帶隙不同的半導(dǎo)體性。由于單壁碳納米管結(jié)構(gòu)的多樣性和相似性使其結(jié)構(gòu)的控制制備面臨著巨大的挑戰(zhàn)，尤其是手性的精確控制，已成為制約碳基電子學(xué)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。
北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院、納米化學(xué)研究中心的張錦教授課題組長(zhǎng)期致力于碳納米管的結(jié)構(gòu)控制制備方法研究，取得了一系列重要進(jìn)展。提高碳納米管水平陣列的密度是提高碳管器件集成度的首要條件。由于高溫下催化劑的聚集和失活，無(wú)法獲得高密度碳管水平陣列。他們提出了“特洛伊”催化劑的概念，解決了催化劑聚集的難題，實(shí)現(xiàn)了密度高達(dá)130根/微米（局部大于170）碳管水平陣列的生長(zhǎng)（Nat. Commun., 2015, 6, 6099）。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)碳納米管的結(jié)構(gòu)控制，他們發(fā)展了雙金屬催化劑（J. Am. Chem. Soc., 2015,?137, 1012）、半導(dǎo)體氧化物催化劑（Nano Lett.,?2015,?15, 403）和碳化物催化劑（J. Am. Chem. Soc.,?2015,?137, 8904），實(shí)現(xiàn)了不同結(jié)構(gòu)碳納米管的控制生長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)生長(zhǎng)的過(guò)程的調(diào)控，實(shí)現(xiàn)了密度大于100根/微米半導(dǎo)體含量大于90%的碳管陣列的生長(zhǎng)（J. Am. Chem. Soc.,?2016,?138, 6727）和小管徑陣列單壁碳納米管的生長(zhǎng)（J. Am. Chem. Soc.,?2016,?138, 12723）。
圖1. 單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)控制生長(zhǎng)
最近，張錦教授課題組提出了一種利用碳納米管與催化劑對(duì)稱性匹配的外延生長(zhǎng)碳納米管的新方法，通過(guò)對(duì)碳納米管成核的熱力學(xué)控制和生長(zhǎng)速度的動(dòng)力學(xué)控制，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)為（2m, m）類碳納米管水平陣列的富集生長(zhǎng)。他們選用碳化鉬為催化劑，制備了純度高達(dá)90%，結(jié)構(gòu)為（12, 6）的金屬性碳納米管水平陣列，密度為20根/微米。他們還用碳化鎢做催化劑，制備了結(jié)構(gòu)為（8, 4）的半導(dǎo)體性碳納米管水平陣列，其純度可達(dá)80%。該研究為單壁碳納米管的單一手性可預(yù)測(cè)生長(zhǎng)提供了一種新方案，也為碳納米管的應(yīng)用，尤其是碳基電子學(xué)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。該成果于2017年2月15日在線發(fā)表在《自然》雜志上（doi:10.1038/nature21051）。該工作得到了來(lái)自科技部和國(guó)家自然科學(xué)基金委等項(xiàng)目的資助。
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Nature原文鏈接：http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature21051.html
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