碳纳米管水平阵列的结构控制生长取得突破

王晋岚

[本刊讯]北京大学化学与分子工程学院、纳米化学研究中心张锦及其研究团队通过对碳纳米管成核的热力学控制和生长速度的动力学控制，实现了碳纳米管水平阵列的富集生长，相关成果于2017年2月15日在线发表于Nature。

集成电路芯片是现代信息技术的基石，约90%的现代电子芯片组成器件源于硅基CMOS器件。经过半个世纪的快速发展，硅基CMOS技术已经逼近其性能极限。单壁碳纳米管（single-walledcarbon nanotubes，SWNTs）具有优异的电学、力学等性能，尤其在纳电子学上对电子和空穴都表现出超高的迁移率，被认为是后摩尔时代最有潜力的CMOS集成电路的制備材料之一。根据碳纳米管结构，即手征（chirality）的不同，单壁碳纳米管可以体现出金属性或半导体性。目前，几乎所有的材料生长技术中都会出现金属性和半导体性单壁碳纳米管共存，对相同手征结构碳纳米管的精确控制，已成为碳基电子学发展的瓶颈。

研究团队长期致力于碳纳米管的结构控制制备方法的研究，取得了一系列重要进展：提出“特洛伊”催化剂的概念，解决了催化剂聚集难题，实现了密度高达130根/微米的碳纳米管水平阵列的生长；发展双金属催化剂、半导体氧化物催化剂和碳化物催化剂，实现了不同结构碳纳米管的控制生长；通过对生长过程的调控，实现了密度大于100根/微米，半导体含量大于90%的碳纳米管阵列的生长和小管径阵列单壁碳纳米管的生长等。

基于多年的积累和探索，研究团队提出一种利用碳纳米管与催化剂对称性匹配的外延生长新方法，即通过对碳管成核效率的热力学控制和生长速度的动力学控制，实现了手性结构为（2m，m2）的碳纳米管水平阵列的富集生长：用碳化钼作催化剂，制备了纯度高达90%，结构为（12，6）的金属性碳纳米管水平阵列；用碳化钨作催化剂，制备了纯度可达80%，结构为（8，4）的半导体性碳纳米管水平阵列。