CNT研究結果指向高光伏效率電池和先進電子領域

????研究結果證明，可以直接在碳納米管（CNT）的生長過程中控制其結構。這提高了CNT的應用潛力，可以在能量損耗最小情況下，以更高速度并在更遠距離內傳輸電學信號。這也提供了獲得新電子器件的可能，例如高性能的精簡計算機、具有超級電容的電極、燃料電池以及其他應用，同時也可以提高光伏電池等現有器件的性能。

????該項研究工作是在UniversityofLouisville（肯塔基州，Louisville）和普度大學（印第安納州，WestLafayette）開展的，并受到了本田美國研究院（HondaResearchInstituteUSA，俄亥俄州Columbus）的資助。研究人員在金屬納米顆粒表面生長CNT，在蜂窩狀環形薄層上形成圓柱形結構，而碳原子就處于這些結構的頂端。當這些CNT表現出金屬性導電特征時，它們的機械強度比鋼還要高，導電能力比銅還更強，熱傳導能力可與金剛石比擬，而且它們非常輕。

????CNT的各種組合（n,m）形式。每種組合（n,m）對應一種具體的結構和相應的導電性：紅色和粉色表現出金屬性質，而藍色為半導體性質。通過控制催化顆粒的形狀和尺寸，可以獲得的擇優性生長的金屬性CNT，其組合如圖所示，圓柱的高度表示材料上生長特定（n,m）CNT的相對概率。（來源：本田美國研究院）

????該研究結果已經發表在10月2日出版的《科學》期刊上，題為“PreferentialGrowthofSingle-WalledCarbonNanotubesWithMetallicConductivity”。據研究報告，單壁CNT（SWCNT）根據其導電能力可以分為金屬型和半導體型，而其導電能力又取決于碳管的手性。傳統的合成方法不能生長出具有特定導電能力的納米管。以前通過普通方法控制金屬導電型CNT結構，但成功的幾率只有20-50%。然而，研究人員認為，通過改變催化劑熱退火時的氣體環境，并加入一些氧化性和還原性組分，可以將金屬導電型CNT的形成幾率從約33%提高到91%。

????本田和學術界的研究人員發現，通過在制作工藝過程中使用氬氣或氦氣作為承載氣體，可以控制生長的CNT，使之變成金屬型或半導體型。根據本田研究院的首席科學家AvetikHarutyunyan介紹，這是關于系統地控制金屬態CNT生長的首次報道。“進一步的研究還在進行之中，最終的目標是完全控制納米管的生長組合以支持現實應用。”

????Harutyunyan還介紹說，過去的觀點認為，金屬納米催化劑主要用于CNT成核，而催化劑的尺寸決定了CNT的導電能力，但現在的研究表明，催化劑的形狀和晶體結構也具有很大影響，而正是通過對這些因素的控制實現了對CNT導電性能的控制。過去整個生長CNT的工藝是隨機的，因此無法決定得到的是半導體型還是金屬型（不同種類對應不同的應用）碳管。金屬型納米管在諸多領域更為有用，這包括作為導體材料連接其他納米結構、作為太陽能電池以及其他光學和電子器件的窗口材料。

????在普度大學的研究團隊由EricStach領導，使用由本田開發的技術，制造了大量CNT并精確地測定了其導電屬性。他們使用TEM來觀測納米管形成，結果表明，氣體環境的變化可以改變金屬催化劑納米顆粒的形狀，從非常尖銳的表面可以變成完全球形的表面。這些催化劑結構重排表明，在催化劑形貌與獲得的CNT電學結構之間，存在一定關系，進而表明可選擇生長的手性。由GaminiSumanasekera領導的Louisville研究人員，則制作了薄膜狀的CNT，并進行了仔細的測量以確定該納米管是否形成了金屬態。

????Sumanasekera期望這一發現可以重新激發這一領域的興趣。“碳納米管可能會取代一些目前被普遍使用的材料，可以滿足對導電性和透光能力的更高需求”，他這樣認為。