本報(bào)訊 單壁碳納米管（SWCNT）的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是納米科技的里程碑之一。目前，SWCNT主要可由電弧放電、激光蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法制備。由于對(duì)其生長(zhǎng)機(jī)理缺乏全面深入的認(rèn)識(shí)，故而尚未找到對(duì)SWCNT精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控的有效手段，所有方法制備得到的樣品均為不同直徑、長(zhǎng)度和導(dǎo)電屬性SWCNT的混合物。
自2009年起，在科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委和中科院的大力支持下，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所在SiOx非金屬催化劑生長(zhǎng)單壁碳納米管研究中取得了一系列進(jìn)展，相關(guān)成果發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》和《ACS納米》等刊物上。
SWCNT的制備通常需要鐵族金屬作為催化劑?？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，除鐵族金屬外，其他一些金屬在適當(dāng)條件下也能生長(zhǎng)SWCNT。然而，由于很難完全去除，這些金屬催化劑的殘存會(huì)影響SWCNT的本征性質(zhì)（如電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)性、生物毒性等），并為其在納電子器件和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)障礙。
2009年，中科院金屬所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部和溫州大學(xué)的科技人員幾乎同時(shí)獨(dú)立發(fā)明了一種簡(jiǎn)單高效的非金屬催化劑生長(zhǎng)高質(zhì)量SWCNT的新方法。研究人員首先采用離子濺射，在硅襯底上沉積30納米厚的二氧化硅層，經(jīng)過(guò)氫氣高溫處理，形成大量平均粒徑為1.9納米的SiOx顆粒。然后以甲烷為碳源，經(jīng)過(guò)900℃的CVD生長(zhǎng)，在襯底表面制備出高密度、高質(zhì)量的SWCNT網(wǎng)絡(luò)。
同時(shí)，科研人員還提出了一種簡(jiǎn)單的“表面刻劃法”來(lái)實(shí)現(xiàn)SWCNT的無(wú)金屬催化劑圖案化生長(zhǎng)。采用CVD即可在硅襯底的劃痕處生長(zhǎng)出SWCNT，而無(wú)劃痕處則無(wú)SWCNT生成。如果以更小的“針尖”（如原子力顯微鏡的探針）去刻劃表面，則該方法的精度可得到極大的提高。
在此基礎(chǔ)上，研究人員進(jìn)一步分析了SiOx催化劑生長(zhǎng)SWCNT的特點(diǎn)并探索了SWCNT的控制生長(zhǎng)。他們發(fā)現(xiàn)，SiOx生長(zhǎng)SWCNT的速度極慢，只有相同條件下鈷催化劑的1/300?；谶@一特點(diǎn)，通過(guò)簡(jiǎn)單地控制反應(yīng)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)了較短SWCNT的長(zhǎng)度可控制備，可選擇性地生長(zhǎng)平均長(zhǎng)度只有149納米的短SWCNT。
最近，研究人員結(jié)合CVD生長(zhǎng)、原位透射電鏡觀察和DFT計(jì)算，對(duì)SiOx催化劑的狀態(tài)和SWCNT的生長(zhǎng)機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，SiOx催化劑在SWCNT生長(zhǎng)的整個(gè)過(guò)程中保持非晶固態(tài)，反應(yīng)遵循新的氣—固—固生長(zhǎng)機(jī)理，而非傳統(tǒng)的氣—液—固機(jī)理；相同大小的硅顆粒不能生長(zhǎng)SWCNT，表明催化劑的化學(xué)成分對(duì)生長(zhǎng)SWCNT具有很重要的影響；SiOx中的氧能夠促進(jìn)催化劑對(duì)甲烷的吸附能力，有利于SWCNT的生長(zhǎng)。（周峰 梁爽）
