碳纳米管因其优异的力学、电学、热学等性能，在超强超韧纤维、下一代碳基芯片、高性能透明导电膜、智能柔性可穿戴设备等尖端领域具有广阔应用前景。碳纳米管的各项性质受到其单体长度、取向度、缺陷浓度、结晶度、手性等多方面结构因素的影响，其中单体长度对碳纳米管宏观性质的影响尤为显著。因此，提升碳纳米管的长度是优化性能和发展下游应用的关键。只有兼具厘米级以上宏观长度、高取向度、高纯度和完美结构的超长碳纳米管，才可以发挥出碳纳米管本征的优异性能。

然而，在过去30多年的超长碳纳米管发展历程中，研究者们一直采用独特的漂浮生长机制制备超长碳纳米管，这导致其生长工艺窗口窄、生长条件极为苛刻、催化剂利用率十分低下、存在催化剂颗粒聚并和碳纳米管间相互缠绕等问题，从而导致超长碳纳米管的产率非常低（超长碳纳米管在平整基底上的数量密度通常只有几十根/毫米），远远无法满足量产的要求，严重限制了超长碳纳米管的批量制备和应用开发。

图1.利用基底拦截导向策略制备高密度超长碳纳米管阵列

张如范课题组通过深入研究超长碳纳米管的生长机理，提出了一种基底拦截导向策略来实现超长碳纳米管的超高产率制备。该策略将催化剂溶液气化后通入碳纳米管生长装置前端，同时在生长装置的中部放置一个耐高温平整基底，用于分割流场和拦截漂浮的短碳纳米管，使大量漂浮的短碳纳米管向超长碳纳米管的生长模式转变。这一策略可有效地将短碳纳米管的杂乱漂浮生长和超长碳纳米管的气流导向有序生长耦合起来，抑制催化剂颗粒在高温下的聚并，极大程度地提升催化剂利用率。从而实现宏观长度、取向均一的高密度超长碳纳米管阵列的超高产率制备。

图2.高密度超长碳纳米管阵列的结构表征

得益于基底拦截导向策略的理性设计和工艺条件的优化，超长碳纳米管的阵列密度首次提升至约6700根/mm，比传统方法至少提升2-3个数量级（图2），且制备的超长碳纳米管还具有分米级的长度、较少的管壁数、近乎完美的结构和较高的半导体型纯度。基底拦截导向策略在硅片、石英、石英玻璃等基底上也表现出良好的普适性（图3），并可用于制备规整的超长碳纳米管交错网络，为构建纳米电子器件提供材料基础。

图3.在不同基底上制备的高密度超长碳纳米管阵列及其图案化

上述成果以“超长碳纳米管的超高产率制备”（Synthesis of Ultralong Carbon Nanotubes with Ultrahigh Yields）为题发表在国际期刊《纳米快报》（Nano Letters）期刊上，论文共同第一作者为化工系2019级直博生姜沁源、2021级直博生汪菲和2020级直博生李润，通讯作者为化工系副教授张如范，主要合作者还包括西湖大学工学院助理教授师恩政和博士生李白泥、北京大学碳基电子学研究中心助理研究员魏楠、北京华碳元芯电子科技有限责任公司工程师高宁飞和该公司许海涛博士。上述研究工作得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.2c03858

供稿：化工系

编辑：段颖

审核：曲田

文章分类：新闻动态研究进展

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