作者:成会明等 来源:JACS 发布时间:2011-4-27 16:17:05
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单壁碳纳米管生长研究取得进展
 
单壁碳纳米管(SWCNT)的发现被认为是纳米科技的里程碑之一。目前,SWCNT主要可由电弧放电、激光蒸发和化学气相沉积(CVD)等方法制备。由于对其生长机理缺乏全面深入的认识,故而尚未找到对SWCNT精细结构调控的有效手段,所有方法制备得到的样品均为不同直径、长度和导电属性SWCNT的混合物。
 
自2009年起,在科技部、国家自然科学基金委和中科院的大力支持下,中国科学院金属研究所在SiOx非金属催化剂生长单壁碳纳米管研究中取得了一系列进展,相关成果发表在《美国化学会志》(JACS)和《ACS纳米》等刊物上。
 
SWCNT的制备通常需要铁族金属作为催化剂。科研人员发现,除铁族金属外,其他一些金属在适当条件下也能生长SWCNT。然而,由于很难完全去除,这些金属催化剂的残存会影响SWCNT的本征性质(如电学、磁学、热学性质和化学反应性、生物毒性等),并为其在纳电子器件和生物医学等领域的实际应用带来障碍。
 
2009年,中科院金属所沈阳材料科学国家(联合)实验室先进炭材料研究部和温州大学的科技人员几乎同时独立发明了一种简单高效的非金属催化剂生长高质量SWCNT的新方法。研究人员首先采用离子溅射,在硅衬底上沉积30纳米厚的二氧化硅层,经过氢气高温处理,形成大量平均粒径为1.9纳米的SiOx颗粒。然后以甲烷为碳源,经过900℃的CVD生长,在衬底表面制备出高密度、高质量的SWCNT网络。
 
同时,科研人员还提出了一种简单的“表面刻划法”来实现SWCNT的无金属催化剂图案化生长。采用CVD即可在硅衬底的划痕处生长出SWCNT,而无划痕处则无SWCNT生成。如果以更小的“针尖”(如原子力显微镜的探针)去刻划表面,则该方法的精度可得到极大的提高。
 
在此基础上,研究人员进一步分析了SiOx催化剂生长SWCNT的特点并探索了SWCNT的控制生长。他们发现,SiOx生长SWCNT的速度极慢,只有相同条件下钴催化剂的1/300。基于这一特点,通过简单地控制反应时间,实现了较短SWCNT的长度可控制备,可选择性地生长平均长度只有149纳米的短SWCNT。
 
最近,研究人员结合CVD生长、原位透射电镜观察和DFT计算,对SiOx催化剂的状态和SWCNT的生长机理进行了深入研究。研究发现,SiOx催化剂在SWCNT生长的整个过程中保持非晶固态,反应遵循新的气—固—固生长机理,而非传统的气—液—固机理;相同大小的硅颗粒不能生长SWCNT,表明催化剂的化学成分对生长SWCNT具有很重要的影响;SiOx中的氧能够促进催化剂对甲烷的吸附能力,有利于SWCNT的生长。(来源:科学时报 周峰 梁爽)
 
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