姜开利组在99.9%纯度半导体性碳纳米管水平阵列可控制备取得重要进展

2018年4月26日

单壁碳纳米管由于具备纳米尺寸的结构和出色的电学性质,被认为是构筑未来芯片和柔性器件的最佳材料之一。然而,碳纳米管的种类多种多样,不同螺旋度(手性)的碳纳米管的物理性质差异十分巨大。目前直接制备的单壁碳纳米管通常都是金属性和半导体性碳纳米管的混合物,这为碳纳米管在电子学上的实际应用带来了巨大困难。据估计,要想使碳纳米管进入到商业化应用的阶段,一方面要具备非常高的排列密度和良好的品质,另一方面其中的半导体性碳纳米管要具有高达99.9999%纯度。

 

在传统的化学气相沉积合成碳纳米管过程中,催化剂对碳纳米管成核时的手性起了决定性的作用,并且在大多数情况下,碳纳米管的手性在其生长过程中不发生变化。因此,目前催化剂设计已经成为特定手性碳纳米管选择性制备的主流方案。但是另一方面,如果在碳纳米管生长的过程中对其施加一个扰动,则碳纳米管的螺旋度会通过重新成核过程发生扭转,并形成一个需要额外能量消耗的手性结。在一般情况下,单次的手性转变并没有明确的规律可循。如果能够控制碳纳米管手性转变的趋势,那么也可以实现特定类型碳纳米管的选择性生长。从热力学的角度来看,金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的结构差异其实是很小的。在等温等压的反应体系中,金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管每生长一圈的吉布斯自由能差异决定了热力学上哪一种碳纳米管更容易生长。从动力学的角度看,在碳纳米管的手性发生扭转的位置,会形成一个手性结。一般情况下这种手性结只需要将一对五元环和七元环插在碳纳米管壁的晶格中就可以构成,不同的插入方式形成了不同的手性扭转。与原来均匀晶格结构相比,五元环和七元环的形成需要额外的自由能消耗,如果没有额外的能量供给,是不能自发发生的。当在系统中引入能量扰动时,生成手性结所需要的自由能消耗(手性扭转过程中的能量势垒)的大小在动力学上会决定哪一种手性扭转发生的几率更大。

图1  电致碳纳米管手性扭转

最近清华大学物理系低维量子物理国家重点实验室博士生王江涛同学及合作者们发现:如果在碳纳米管生长时给催化剂颗粒充大量负电荷,则其手性有从金属性转变为半导体性的趋势;如果同时施加适当的电场扰动,则可以克服重新成核的能量势垒,实现这种手性转变。如图1所示,由于半导体性碳纳米管电子态密度上的范霍夫奇点能量更低,在相同的外场下,其储存的静电能会比金属性碳纳米管更高。于是在生长相同长度时,半导体性碳纳米管静电能的下降会更多,这将导致半导体性碳纳米管生长的自由能和重新成核势垒比金属性碳纳米管更低。因此,在电场引起的重新成核势垒差异和能量扰动下,金属性碳纳米管会自发转变为半导体性碳纳米管。利用这种电致手性扭转的方法,研究人员最终实现了99.9%纯度的半导体性碳纳米管水平阵列的稳定制备。这项研究不仅实现了高纯度半导体性碳纳米管的直接制备,为碳纳米管电子学的实际应用铺平了道路,同时也为其它纳米材料的选择性合成提供全新的思路。

 

这一工作已于4月23日在《自然·催化》杂志上在线发表(Growing highly pure semiconducting carbon nanotubes by electrotwisting the helicity)。清华大学物理系博士生王江涛同学为论文的第一作者,清华大学物理系姜开利教授、柳鹏副研究员以及麻省理工学院孔敬教授为论文的通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金基础科学中心项目、国家自然科学基金、国家重点研发计划、北京未来芯片技术高精尖创新中心和富士康科技集团的资助。

全文链接:https://www.nature.com/articles/s41929-018-0057-x

参考链接:https://go.nature.com/2HFvlpD