Natl.Sci.Rev.張錦展望：單壁碳納米管的手性可控制備發展路線

【引言】

單壁碳納米管可看作是由單層石墨烯沿一定方向捲曲而成的空心圓柱體，根據捲曲方式（通常稱為「手性」）的不同，可以體現金屬性或帶隙不同的半導體性。1993年，日本物理學家Sumio Iijima教授等在透射電子顯微鏡下首次觀察到了單壁碳納米管。單壁碳納米管具有優異的電子、機械、力學等性能，尤其是對電子和空穴都具有超高的遷移率，因此，國際半導體路線圖委員會2009年確定其為未來最有可能應用的新型器件材料，催生了單壁碳納米管在物理、化學、材料、生物等多個領域的應用研究和功能展示。儘管如此，實現結構的可控制備是單壁碳納米管走嚮應用的基礎和關鍵，然而，經過二十餘年的努力，尚未有實際的解決方案，這已經成為碳納米管研究和應用發展的瓶頸。

【成果簡介】

基於單壁碳納米管的手性可控制備現狀，最近，北京大學化學與分子工程學院張錦教授在《國家科學評論》（National Science Review）上發表一篇題為「The Road to Chirality-Specific Growth of Single-Walled Carbon Nanotubes」的Perspectives，對未來單壁碳納米管手性富集的可能種類以及發展方向進行了展望。

【圖文介紹】

圖一 單壁碳納米管手性富集路線圖：由液態催化劑到固體催化劑；由氣-液-固（VLS）生長機理到氣-固（VS）機理；碳納米管的手性富集的界面熱力學與生長動力學。

文章指出，在化學氣相沉積系統中，選擇性製備單壁碳納米管的關鍵仍為催化劑，催化劑的狀態嚴重影響著單壁碳納米管的種類。早期所使用的低熔點催化劑在高溫下呈現不穩定的液體狀態，碳納米管的生長機理符合「氣-液-固」（VLS）機理，這導致不同類型碳納米管埠與催化劑表面之間的結合在熱力學上沒有顯著差異，難以實現碳管生長的選擇性。因此提高催化劑的穩定性在熱力學上對於碳納米管的成核過程是極為有利的。固體催化劑的提出和發展為單壁碳納米管的手性製備打開了一個嶄新的思路，碳納米管的生長機理轉變為「氣-固」（VS）機理，其成核受到固體催化劑特定晶面的影響，碳原子與催化劑晶面原子鍵合而穩定存在，因而催化劑晶面原子的特定排布能夠對應到碳納米管邊緣的周期性結構；基於此，文章提出了碳納米管與催化劑晶面對稱性匹配的熱力學成核規則。此外，固體催化劑上碳納米管的動力學生長速率與碳納米管的手性角有關，理論計算表明，具有19.1°手性角的單壁碳納米管具有最大的動力學生長速度，據此可以通過調控生長過程中的碳源濃度來實現碳納米管的動力學調控。實際上，早期的低溫生長粉體碳納米管中富集近armchair管就是一種動力學調控的結果。結合碳納米管的熱力學成核規則和生長動力學調控，可以實現碳納米管的手性富集生長。將來，碳納米管手性富集的種類分布在近armchair管和手性角為19.1°的(2m, m)碳納米管附近，這兩類碳納米管分別代表了固體催化劑上熱力學主導和動力學主導調控的兩個思路。

【小結】

作者強調，儘管目前有一些理論可以用來解釋和預測單壁碳納米管的手性富集，但是受目前原位原子級解析度表徵手段的限制，比如Raman表徵易出現共振，TEM只能表徵局部，更為明確的碳納米管生長機理仍有待研究，因此，未來也需要發展更為精細、可靠的表徵技術去深入探索碳納米管的生長機理，碳納米管的手性富集製備也需要對其熱力學成核規則和動力學調控規律開展進一步探索，未來才有可能實現碳納米管任意手性的高純度富集。

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