控制生长金属性富集单壁碳纳米管

中科院金属所 李鑫博士 供稿

为获得超高的电输运特性、互联导线与微纳器件的电极材料，亟需实现窄直径分布、高纯度金属性碳纳米管的可控制备。通常用于生长碳纳米管的传统过渡金属催化剂铁、钴、镍在高温生长过程中易发生团聚，甚至液化，尺寸均一性较差，热力学方面无法实现碳纳米管的稳定形核与直径控制，动力学方面传统催化剂生长不同导电属性碳纳米管的速率较快，不利于单一导电属性的富集，这使得单壁碳纳米管的直径和导电属性控制十分困难。

第一作者｜中科院金属所李鑫博士、张峰副研究员

通讯作者 | 中科院金属所刘畅研究员、侯鹏翔研究员，江苏大学徐紫巍副教授

针对以上问题，中科院金属所刘畅课题组提出了“钴-铼高熔点双金属催化剂，热力学控制均一直径碳纳米管稳定形核，动力学通过催化剂和金属性碳纳米管低的结合能、与低的碳源和能量补给，实现金属性碳纳米管相对快速生长，从而获得窄直径分布的金属性碳纳米管”这一研究思路。相关研究成果以“Kinetics-Controlled Growth of Metallic Single-Wall Carbon Nanotubes from CoRex Nanoparticles”为题发表在著名期刊ACS NANO上。

图1.催化剂、纳米颗粒与碳纳米管的表征；

碳纳米管拉曼成像分析系统：WITec alpha300R显微共聚焦拉曼光谱仪

在硅衬底上，采用嵌段共聚物自组装法制备出一种尺寸均一（~2.3nm）、单分散、成分均一（CoRe4）、密排六方的钴-铼高熔点双金属催化剂（图1a-c），窄直径分布的颗粒以垂直模式稳定形核生长直径均一的碳纳米管（1.1±0.3nm, 图1d)。进而，调控催化剂的组分使其与金属性碳纳米管较低的结合能（图1h-i），利用低温、低碳源、低氢气的准静态化学气相沉积法，进一步扩大了金属性与半导体性碳纳米管生长速率的差异，获得80%金属性占优的单壁碳纳米管（图1e-g）。本工作的共同第一作者为中科院金属所李鑫博士生、张峰副研究员，通讯作者为中科院金属所刘畅研究员、侯鹏翔研究员，江苏大学徐紫巍副教授（DFT理论支撑）。

中科院金属所评价：“该工作中WITec Raman area mapping为国内最早用于碳纳米管导电属性和手性统计工作之一，WITec 显微拉曼成像光谱仪强大的成像能力、高的成像分辨率、快速的成像速度和全面的软件处理功能，将成为定量统计单壁碳纳米管导电属性和手性的有力工具。”

工作思路