單壁碳納米管（swcnt）因碳原子排布方式不同可表現(xiàn)為金屬性或半導(dǎo)體性，其中半導(dǎo)體性swcnt具有納米尺度、良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、可調(diào)的帶隙和高載流子遷移率，被認(rèn)為是構(gòu)建高性能場效應(yīng)晶體管的理想溝道材料，并可望在新一代柔性電子器件中獲得應(yīng)用。然而，金屬性和半導(dǎo)體性swcnt的結(jié)構(gòu)和生成能差異細(xì)微，通常制備得到的碳納米管中含有約三分之一金屬性和三分之二半導(dǎo)體性swcnt，這種不同導(dǎo)電屬性swcnt的混合物無法用于高性能電子器件的構(gòu)建。因此，高質(zhì)量半導(dǎo)體性swcnt的可控制備是當(dāng)前碳納米管研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)。
中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實(shí)驗(yàn)室先進(jìn)炭材料研究部的研究人員利用金屬性與半導(dǎo)體性swcnt在化學(xué)穩(wěn)定性上的微弱差異，提出了浮動催化——原位刻蝕方法，在swcnt生長過程中引入適量氣體刻蝕劑（如氧氣或氫氣）優(yōu)先反應(yīng)刻蝕金屬性swcnt，獲得了純度90%以上的半導(dǎo)體性swcnt（journaloftheamericanchemicalsociety2011,133:5232;acsnano2013,7:6831）。半導(dǎo)體性swcnt的帶隙與直徑直接相關(guān)，精確控制其直徑不僅可以實(shí)現(xiàn)swcnt的帶隙調(diào)控，而且有利于金屬性swcnt的選擇性刻蝕，進(jìn)一步提高半導(dǎo)體性swcnt的純度。通常用于生長swcnt的過渡金屬催化劑在高溫生長過程中易發(fā)生團(tuán)聚，尺寸均一性較差；另一方面，swcnt從納米顆粒形核生長遵循不可控的“切線生長”或“垂直生長”模式，即所得swcnt的直徑可能等于或小于催化劑顆粒。這使得swcnt的直徑控制十分困難，所得半導(dǎo)體性swcnt的帶隙分布較寬。
最近，金屬所先進(jìn)炭材料研究部的研究人員與芬蘭aalto大學(xué)合作者設(shè)計(jì)并制備了一種部分碳包覆的co納米顆粒催化劑，包覆碳層可以有效阻止催化劑顆粒團(tuán)聚長大，而部分暴露的co納米顆粒可實(shí)現(xiàn)swcnt僅以垂直模式形核生長，同時，采用嵌段共聚物自組裝法制備的催化劑顆粒具有優(yōu)異的均一性和單分散性。他們采用這種催化劑首先實(shí)現(xiàn)了窄直徑分布swcnt的可控生長（平均直徑1.7nm，90%以上分布在1.6-1.9nm范圍內(nèi)），進(jìn)而采用h2原位刻蝕方法獲得了窄帶隙分布（~0.08ev）、高純度（>95%）、高質(zhì)量的半導(dǎo)體性swcnt。以制得的半導(dǎo)體性swcnt為溝道材料，構(gòu)建了高性能薄膜場效應(yīng)晶體管器件，在電流開關(guān)比大于3×103時，平均載流子遷移率可達(dá)95.2cm2v-1s-1。
部分碳包覆金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)催化劑的研制為可控生長swcnt提供了新思路，所得高質(zhì)量、高純度、窄帶隙分布半導(dǎo)體性swcnt為其在場效應(yīng)晶體管等器件中的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。該工作的主要結(jié)果于3月30日在naturecommunications在線發(fā)表（naturecommunications2016,7:11160）。該工作得到了國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體、重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目及中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)國際合作項(xiàng)目等的資助。
(a)部分碳包覆co催化劑的tem照片；（b）窄帶隙分布半導(dǎo)體性swcnt的生長示意圖；（c）所得swcnt的tem照片；（d）所得半導(dǎo)體性swcnt的激光拉曼光譜圖（激發(fā)光波長為532nm）；（e）以所得swcnt為溝道材料制備的薄膜晶體管的器件性能。
