纳米螺旋碳管研究获新进展

物理学院都有为院士课题组在碳纳米螺旋的生长机制、磁性、单根纳米螺旋中的电荷输运性质研究方面取得了重要进展。近期在《ACS纳米》（ACS Nano）上先后发表两篇论文，该工作由课题组与台湾中兴大学化学系林宽锯教授、物理系郭华丞教授合作完成，我校物理学院汤怒江老师为第一作者。第一篇文章（ACS Nano,4,241-250（2010））报道了在碳纳米螺旋的生长机制、磁性方面的进展。由于其特殊的形貌和微结构，螺旋碳管已被理论和实验证实具有许多奇特的物理和化学性能。但由于合成条件苛刻、以及对于生长条件及生长机理的不明朗，大量制备高纯度的碳纳米螺旋一直是一个很大的挑战，给对其应用带来很大的困难。对于螺旋的生长机理一直有很大的争议。该课题组经过大量的实验发现：螺旋碳管生长与催化剂颗粒尺寸之间存在密切关系，当催化剂的粒径在100纳米以下时，有利于纳米碳管螺旋结构的形成。并认为：小面及小面效应的保持是得到高纯度碳纳米螺旋的重要因素；由于乙炔裂解时的放热会导致催化剂颗粒温度的快速提高，使得小面曲率和小面效应下降甚至是消失，这是螺旋纯度下降的重要原因。该研究小组在系统研究基础上，对螺旋碳纳米管生长机制和生长模型提出了全新的观点：由于较小的尺寸，小催化剂具有较慢的碳原子挤出速率，能够使得催化剂颗粒保持在相对较低的温度，进而使得催化剂的小面和小面效应一直得到保持，这有利于得到高纯度的碳纳米螺旋。此研究工作为对碳管螺旋生长过程的动力控制提供了重要的参考价值。第二项工作（ACS Nano,4,781-788(2010))通过微加工手段得到了单根碳纳米螺旋器件，并对单根碳纳米螺旋的电荷性质进行了系统的研究，提示了纳米螺旋管中电荷运输具有电子的漂移传导和半导体的特点。通过系统的实验和理论数值模拟，详细阐明了纳米螺旋中电荷输运特点及其原因：并认为：在碳纳米螺旋中大量缺陷的存在，是电子的漂移传导的起源。单根半导体纳米线器件因其在纳米电子、光电子、气敏器件等以及在研究基本量子现象和低维输运特性等领域的重要应用，而受到人们的广泛关注。在此研究领域，对于改善单根半导体纳米线和金属电极之间的接触，减小接触电阻已成为当前的一个研究热点。该研究小组发现在单根碳纳米螺旋中，电荷输运特点为电子在局域态间的漂移传导，特征长度为5～50nm。在低温时，在局域态中电子-电子之间的相互作用组成了一个大小为几个MeV的软库仑带隙，电子漂移变成了Efros-Shklovshii VRH模式。在接触电极部分，高温时Schottky型通常被观察到，而烧结后的接触在低温时经常观察到明显的量子隧穿。该研究表明，通过精确定位控制的激光束对单根器件进行烧结的方法，能有效减小接触间的势垒减小接触电阻，从而改善单根碳纳米螺旋和金属电极之间的接触。该研究表明，通过精确定位控制的激光束烧结方法将在制备半导体纳米线基晶体管中发挥重要作用。（来源：南京大学）