單壁碳納米管具有優異的電學、力學等性能，尤其在納電子學上對電子和空穴都表現出超高的遷移率，被認為是后摩爾時代最有潛力的制作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，根據卷曲方式（通常稱為“手性”）的不同，可以體現金屬性或帶隙不同的半導體性。由于單壁碳納米管結構的多樣性和相似性使其結構的控制制備面臨著巨大的挑戰，尤其是手性的精確控制，已成為制約碳基電子學發展的瓶頸問題。

    北京大學化學與分子工程學院、納米化學研究中心，納米器件物理與化學教育部重點實驗室的張錦教授課題組長期致力于碳納米管的結構控制制備方法研究，取得了一系列重要進展。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，實現了密度高達130根/微米（局部大于170）碳管水平陣列的生長（Nat. Commun., 2015, 6, 6099）。為了進一步實現碳納米管的結構控制，他們發展了雙金屬催化劑（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 1012）、半導體氧化物催化劑（Nano Lett., 2015, 15, 403）和碳化物催化劑（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8904），實現了不同結構碳納米管的控制生長。通過對生長過程的調控，實現了密度大于100根/微米、半導體含量大于90%的碳管陣列的生長（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 6727）和小管徑陣列單壁碳納米管的生長（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12723）。

    單壁碳納米管的結構控制生長

    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稱性匹配的外延生長碳納米管的新方法，通過對碳納米管成核的熱力學控制和生長速度的動力學控制，實現了結構為（2m, m）類碳納米管水平陣列的富集生長。他們選用碳化鉬為催化劑，制備了純度高達90%，結構為（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，制備了結構為（8, 4）的半導體性碳納米管水平陣列，其純度可達80%。該研究為單壁碳納米管的單一手性可預測生長提供了一種新方案，也為碳納米管的應用，尤其是碳基電子學的發展奠定了基礎。該成果于2017年2月15日在線發表在《自然》雜志上（doi:10.1038/nature21051）。該工作得到了來自科技部和國家自然科學基金委等項目的資助。

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責任編輯：劉洋

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