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物理所輕元素納米材料研究取得系列進展

來源:不詳       更新時間:2011-12-2 10:31:03
 
      碳納米管自上世紀90年代初發現以來,已經引起了研究者極大興趣。碳納米管具有金屬性或者半導體性取決于它的手性指數,但是手性指數即電子能帶結構不可控一直是一個難題。由于半導體性與金屬性納米管混存且難以分離,造成了碳納米管納電子學應用的瓶頸。三元B-C-N納米管可被看作是碳納米管晶格中的部分C原子被B、N原子取代摻雜后的產物。石墨相B-C-N三元化合物是介于石墨(半金屬)與六方氮化硼(h-BN,絕緣體)之間的半導體,能隙隨成分變化可連續可調;相應地,三元B-C-N納米管也呈現出半導體性,其電子能帶結構主要取決于納米管的成分,而與手性指數無關。由于電學性質具有較好的可控性與較大的可調性,B-C-N納米管有望在納電子學與光電子學等領域比碳納米管率先獲得應用。然而,與碳納米管相比,三元B-C-N納米管實驗合成的難度要大得多,尤其是單壁納米管的合成,是一個具有很大挑戰性的課題。
      中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室(籌)表面物理實驗室白雪冬研究組,多年來一直致力于輕元素B、C、N體系納米材料方面的研究。2006年,該研究組的王文龍副研究員等人利用等離子體輔助的熱絲化學氣相沉積(CVD)生長技術,在國際上首次實現了三元B-C-N單壁納米管的直接合成,該工作是輕元素納米管領域的研究突破,相關結果發表在J. Am. Chem. Soc.(2006, 128, 6530)上,引起了國際同行的較大關注(年平均引用在10次以上)。高質量單壁納米管樣品的成功合成,使得三元B-C-N納米管的電學器件構筑成為了可能。2008年,該組成功制備出基于單壁B-C-N管的場效應晶體管(FET)器件,研究表明B-C-N單壁管中半導體性納米管的比例超過97%,遠超過單壁碳納米管中66%的自然比例,相關結果發表在Adv. Mater. (2008, 20, 3615) 上。他們在三元B-C-N單壁納米管研究方面的系列工作表明,通過B、N共摻雜形成三元B-C-N納米管,是解決純碳納米管體系中電學性質不可控問題的一個有效途徑,有望為納米管FET器件的規模化制備與集成開辟一條新路。NPG Asia Materials 對他們的工作以研究亮點形式進行了報道。
  最近,白雪冬研究組的王文龍副研究員和博士生楊曉霞等人在單壁B-C-N納米管研究方面又取得了新進展。三元B-C-N納米管的合成有兩個基本途徑:直接生長法與碳納米管取代反應法。直接生長法是指把B、C、N三種元素的前驅物同時引入生長環境,在納米管生長的同時實現對其B、N摻雜,CVD方法便是直接生長法的一種。而所謂取代反應法則是以預先合成好的碳納米管作為母體,在高溫下使之與合適的含B和N的化合物之間發生化學取代反應,當碳納米管晶格中的部分C原子被B、N原子所取代摻雜后,便得到三元B-C-N納米管。納米管取代反應法在原理上是一種能大量制備三元B-C-N納米管的方法,曾經在B-C-N多壁納米管的合成方面取得較好的結果,但是對單壁納米管卻一直難以奏效。
  針對這一難題,王文龍等人發展了一種新穎的液相濕化學輔助的納米管取代反應法,實現了B-C-N單壁納米管的高效大批量合成。所合成的B-C-N單壁管具有與起始單壁碳納米管相媲美的高純度,以及完好的管壁結構,可以獲得較高的B、N摻雜濃度,并且成分均勻。基于薄膜FET器件的電學性質測量結果表明,通過取代反應法所制備的B-C-N單壁納米管表現出純半導體性。

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