姜开利研究组在碳纳米管生长机理的研究方面取得进展

2016年6月21日

    碳纳米管因为具有化学和物理稳定性好、集成度高、承载电流密度大等优点,被研究者普遍认为是下一代集成电路产业最有前途的材料之一。然而目前面临的最大挑战是:如何可控制备出特定手性指数的碳纳米管。近年来,研究者采用调整催化剂颗粒组分的方法,在手性控制合成方面取得了一些可喜的进展,但是尚不能满足集成电路产业的需求。其中一个重要原因就是对碳纳米管生长机理的理解还不够深入。

    2013年,物理系低维量子物理国家重点实验室的博士生王江涛同学在实验中注意到新生长出来的碳纳米管可能带有电荷。但是由于碳纳米管具有极小的电容,其所带的电荷不容易被直接测量出来。之后,为了获得可靠的实验结果,王江涛和同事们发展了一种可以快速、非接触式表征表面电荷分布的e-VCA技术(电荷敏感蒸气凝结辅助成像技术),并进一步自行设计、搭建了一套用于原位测量碳纳米管生长过程中电信号的装置。利用这两种技术,他们最终确认了碳纳米管的催化生长是一个电化学过程;并利用电子共振隧穿原理建立了碳纳米管生长过程中电荷产生和转移的模型,理论计算得到的结果与实验结果相吻合,还预测了不同手性指数的碳管会有不同的带电量,为接下来的深入实验提供了理论指导。利用碳纳米管生长带电的这一特性,他们发现可通过外加电场控制碳纳米管的生长方向和手性变化。

                                         


    研究成果以“Observation of Charge Generation and Transfer during CVD Growth of Carbon Nanotubes”为题发表在Nano Letters上。该研究工作得到了科技部纳米研究国家重大科学研究计划和自然科学基金委的资助。
    近20年来,在碳纳米管生长研究领域已经形成了一个以碳原子转移为主要过程的物理图像,而姜开利研究组的这一发现是首次对碳纳米管生长过程中的电荷转移进行了系统地观察和研究。他们的成果不仅提供了一个理解碳纳米管生长的新视角,也开辟了用电化学方法控制碳纳米管生长的新的可能性。

   原文链接:http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.nanolett.6b00841