清華新聞網(wǎng)1月17日電 近日，化工系副教授張如范課題組通過(guò)超長(zhǎng)碳納米管制備技術(shù)方法論層面的創(chuàng)新，首次實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)碳納米管的超高產(chǎn)率制備，為超長(zhǎng)碳納米管的大批量制備及相關(guān)應(yīng)用開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。
碳納米管因其優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、熱學(xué)等性能，在超強(qiáng)超韌纖維、下一代碳基芯片、高性能透明導(dǎo)電膜、智能柔性可穿戴設(shè)備等尖端領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。碳納米管的各項(xiàng)性質(zhì)受到其單體長(zhǎng)度、取向度、缺陷濃度、結(jié)晶度、手性等多方面結(jié)構(gòu)因素的影響，其中單體長(zhǎng)度對(duì)碳納米管宏觀(guān)性質(zhì)的影響尤為顯著。因此，提升碳納米管的長(zhǎng)度是優(yōu)化性能和發(fā)展下游應(yīng)用的關(guān)鍵。只有兼具厘米級(jí)以上宏觀(guān)長(zhǎng)度、高取向度、高純度和完美結(jié)構(gòu)的超長(zhǎng)碳納米管，才可以發(fā)揮出碳納米管本征的優(yōu)異性能。
然而，在過(guò)去30多年的超長(zhǎng)碳納米管發(fā)展歷程中，研究者們一直采用獨(dú)特的漂浮生長(zhǎng)機(jī)制制備超長(zhǎng)碳納米管，這導(dǎo)致其生長(zhǎng)工藝窗口窄、生長(zhǎng)條件極為苛刻、催化劑利用率十分低下、存在催化劑顆粒聚并和碳納米管間相互纏繞等問(wèn)題，從而導(dǎo)致超長(zhǎng)碳納米管的產(chǎn)率非常低（超長(zhǎng)碳納米管在平整基底上的數(shù)量密度通常只有幾十根/毫米），遠(yuǎn)遠(yuǎn)無(wú)法滿(mǎn)足量產(chǎn)的要求，嚴(yán)重限制了超長(zhǎng)碳納米管的批量制備和應(yīng)用開(kāi)發(fā)。
圖1.利用基底攔截導(dǎo)向策略制備高密度超長(zhǎng)碳納米管陣列
張如范課題組通過(guò)深入研究超長(zhǎng)碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)理，提出了一種基底攔截導(dǎo)向策略來(lái)實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)碳納米管的超高產(chǎn)率制備。該策略將催化劑溶液氣化后通入碳納米管生長(zhǎng)裝置前端，同時(shí)在生長(zhǎng)裝置的中部放置一個(gè)耐高溫平整基底，用于分割流場(chǎng)和攔截漂浮的短碳納米管，使大量漂浮的短碳納米管向超長(zhǎng)碳納米管的生長(zhǎng)模式轉(zhuǎn)變。這一策略可有效地將短碳納米管的雜亂漂浮生長(zhǎng)和超長(zhǎng)碳納米管的氣流導(dǎo)向有序生長(zhǎng)耦合起來(lái)，抑制催化劑顆粒在高溫下的聚并，極大程度地提升催化劑利用率。從而實(shí)現(xiàn)宏觀(guān)長(zhǎng)度、取向均一的高密度超長(zhǎng)碳納米管陣列的超高產(chǎn)率制備。
圖2.高密度超長(zhǎng)碳納米管陣列的結(jié)構(gòu)表征
得益于基底攔截導(dǎo)向策略的理性設(shè)計(jì)和工藝條件的優(yōu)化，超長(zhǎng)碳納米管的陣列密度首次提升至約6700根/mm，比傳統(tǒng)方法至少提升2-3個(gè)數(shù)量級(jí)（圖2），且制備的超長(zhǎng)碳納米管還具有分米級(jí)的長(zhǎng)度、較少的管壁數(shù)、近乎完美的結(jié)構(gòu)和較高的半導(dǎo)體型純度?；讛r截導(dǎo)向策略在硅片、石英、石英玻璃等基底上也表現(xiàn)出良好的普適性（圖3），并可用于制備規(guī)整的超長(zhǎng)碳納米管交錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，為構(gòu)建納米電子器件提供材料基礎(chǔ)。
圖3.在不同基底上制備的高密度超長(zhǎng)碳納米管陣列及其圖案化
上述成果以“超長(zhǎng)碳納米管的超高產(chǎn)率制備”（Synthesis of Ultralong Carbon Nanotubes with Ultrahigh Yields）為題發(fā)表在國(guó)際期刊《納米快報(bào)》（Nano Letters）期刊上，論文共同第一作者為化工系2019級(jí)直博生姜沁源、2021級(jí)直博生汪菲和2020級(jí)直博生李潤(rùn)，通訊作者為化工系副教授張如范，主要合作者還包括西湖大學(xué)工學(xué)院助理教授師恩政和博士生李白泥、北京大學(xué)碳基電子學(xué)研究中心助理研究員魏楠、北京華碳元芯電子科技有限責(zé)任公司工程師高寧飛和該公司許海濤博士。上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金和國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03858
供稿：化工系
編輯：段穎
審核：曲田
