轻元素纳米材料研究取得系列进展

碳纳米管自上世纪90年代初发现以来，已经引起了研究者极大兴趣。碳纳米管具有金属性或者半导体性取决于它的手性指数，但是手性指数即电子能带结构不可控一直是一个难题。由于半导体性与金属性纳米管混存且难以分离，造成了碳纳米管纳电子学应用的瓶颈。三元B-C-N纳米管可被看作是碳纳米管晶格中的部分C原子被B、N原子取代掺杂后的产物。石墨相B-C-N三元化合物是介于石墨（半金属）与六方氮化硼（h-BN，绝缘体）之间的半导体，能隙随成分变化可连续可调；相应地，三元B-C-N纳米管也呈现出半导体性，其电子能带结构主要取决于纳米管的成分，而与手性指数无关。由于电学性质具有较好的可控性与较大的可调性，B-C-N纳米管有望在纳电子学与光电子学等领域比碳纳米管率先获得应用。然而，与碳纳米管相比，三元B-C-N纳米管实验合成的难度要大得多，尤其是单壁纳米管的合成，是一个具有很大挑战性的课题。中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室（筹）表面物理实验室白雪冬研究组，多年来一直致力于轻元素B、C、N体系纳米材料方面的研究。2006年，该研究组的王文龙副研究员等人利用等离子体辅助的热丝化学气相沉积（CVD）生长技术，在国际上首次实现了三元B-C-N单壁纳米管的直接合成，该工作是轻元素纳米管领域的研究突破，相关结果发表在J. Am. Chem. Soc.（2006, 128, 6530）上，引起了国际同行的较大关注（年平均引用在10次以上）。高质量单壁纳米管样品的成功合成，使得三元B-C-N纳米管的电学器件构筑成为了可能。2008年，该组成功制备出基于单壁B-C-N管的场效应晶体管（FET）器件，研究表明B-C-N单壁管中半导体性纳米管的比例超过97%，远超过单壁碳纳米管中66%的自然比例，相关结果发表在Adv. Mater. (2008, 20, 3615) 上。他们在三元B-C-N单壁纳米管研究方面的系列工作表明，通过B、N共掺杂形成三元B-C-N纳米管，是解决纯碳纳米管体系中电学性质不可控问题的一个有效途径，有望为纳米管FET器件的规模化制备与集成开辟一条新路。NPG Asia Materials 对他们的工作以研究亮点形式进行了报道。最近，白雪冬研究组的王文龙副研究员和博士生杨晓霞等人在单壁B-C-N纳米管研究方面又取得了新进展。三元B-C-N纳米管的合成有两个基本途径：直接生长法与碳纳米管取代反应法。直接生长法是指把B、C、N三种元素的前驱物同时引入生长环境，在纳米管生长的同时实现对其B、N掺杂，CVD方法便是直接生长法的一种。而所谓取代反应法则是以预先合成好的碳纳米管作为母体，在高温下使之与合适的含B和N的化合物之间发生化学取代反应，当碳纳米管晶格中的部分C原子被B、N原子所取代掺杂后，便得到三元B-C-N纳米管。纳米管取代反应法在原理上是一种能大量制备三元B-C-N纳米管的方法，曾经在B-C-N多壁纳米管的合成方面取得较好的结果，但是对单壁纳米管却一直难以奏效。针对这一难题，王文龙等人发展了一种新颖的液相湿化学辅助的纳米管取代反应法，实现了B-C-N单壁纳米管的高效大批量合成。所合成的B-C-N单壁管具有与起始单壁碳纳米管相媲美的高纯度，以及完好的管壁结构，可以获得较高的B、N掺杂浓度，并且成分均匀。基于薄膜FET器件的电学性质测量结果表明，通过取代反应法所制备的B-C-N单壁纳米管表现出纯半导体性。相关研究结果发表在近期的J. Am. Chem. Soc.（2011，133, 13216）上。该工作得到了国家自然科学基金委、科技部与中科院的支持。（来源：中科院物理研究所）