Nature刊發化學學院李彥教授課題組碳納米管結構可控生長研究的新...

2020-12-05 北京大學新聞網

北大化學與分子工程學院李彥教授課題組在單壁碳納米管手性可控生長研究上取得重要突破，該項成果於2014年6月26日在《自然》雜誌上發表（Nature, DOI 10.1038/nature13434）。

據預測，基於矽基CMOS集成電路的微電子技術在未來十年左右將趨近於發展的極限，發展後摩爾時代的納電子技術已迫在眉睫。2009年，國際半導體路線圖委員會推薦基於碳納米管和石墨烯的碳基電子學技術作為未來10-15年可能顯現商業價值的新一代電子技術。材料是碳基電子學發展的基礎和關鍵，然而迄今人們仍沒有辦法實現碳納米管的結構可控生長，這已經成為制約碳基電子學發展的瓶頸問題。

單壁碳納米管可看作是由石墨烯沿一定方向捲曲而成的空心圓柱體，根據捲曲方式(通常稱為「手性」)的不同，可以是金屬性導體或帶隙不同的半導體。這是碳納米管的一個獨特而優異的性質，但同時也是碳納米管制備上的巨大挑戰。用一般方法合成的樣品均為不同結構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成為一個難題，經過國內外科學家二十餘年的努力仍未找到有效的解決方案。 

李彥教授課題組經過十二年的潛心研究，逐步深化了對碳納米管的生長機制和催化劑作用的認識，在此基礎上提出了一種實現單壁碳納米管結構/手性可控生長的方案。他們發展了一類鎢基合金催化劑，其高熔點的特性確保了單壁碳納米管在高溫環境下的生長過程中保持晶態結構，其獨特的原子排布方式可用來調控生長的碳納米管的結構，從而實現了單壁碳納米管的結構/手性可控生長。他們利用這種方法生長出了含量高於92%的（12, 6）型碳納米管。通過調控催化劑的結構，他們還實現了（16,0）和（14,4）碳納米管的選擇性生長。更多的實驗結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）測得的（12, 6）型管的含量

該研究為解決單壁碳納米管的結構可控生長這一困擾學界已久的難題提供了一種可能的方案，為碳納米管的應用，尤其是碳基電子學的發展奠定了基礎。

以上研究工作在國家自然科學基金委員會傑出青年基金和科技部重大研究計劃納米專項課題資助下完成，並得到了香港理工大學、中科院物理所、上海同步輻射光源等單位的協助。

 

媒體連結：我國碳納米材料研究取得世界級成果

 

編輯：安寧


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