近日，北京大学化学与分子工程学院李彦课题组在单壁碳纳米管手性可控生长研究上取得重要突破，该项成果于2014年6月26日在《自然》杂志上发表（Nature, 2014, DOI: 10.1038/nature13434）。 

        单壁碳纳米管具有优异的电子、机械、力学等性能，尤其是对电子和空穴都具有超高的迁移率，因此，国际半导体路线图委员会2009年确定其为未来最有可能应用的新型器件材料。实现结构和性质可控的制备是单壁碳纳米管应用的基础和关键，然而，经过二十余年的努力，尚未有可能的解决方案，这已经成为碳纳米管研究和应用发展的瓶颈。 

        基于对碳纳米管生长催化剂性能的深入了解，李彦课题组提出了一种利用具有固定结构的催化剂来调控生成的单壁碳纳米管结构的方案。他们发展了一类钨基合金催化剂，其高熔点的特性确保了单壁碳纳米管在高温环境下的生长过程中保持晶态结构，其独特的原子排布方式可用来调控生长的碳纳米管的结构，从而实现了单壁碳纳米管的结构/手性可控生长。 

　　图1：以钨基合金纳米晶为催化剂生长单一手性的单壁碳纳米管，来源：Nature, DOI: 10.1038/nature13434 

        李彦课题组以含钨和其它过渡金属元素的团簇分子为起始材料，在相对温和的条件下制备了钨基合金纳米晶催化剂，通过乙醇化学气相沉积法合成了碳纳米管，利用拉曼光谱结合电子衍射、吸收光谱以及拉曼光谱和原子力显微镜联用等三种方法仔细分析了产物的手性组成，发现以W6Co7为催化剂生长出了含量高于92%的(12, 6)型碳纳米管。利用具有不同组成和结构的钨基合金催化剂，他们还实现了(16, 0)、(14, 4)等碳纳米管的可控生长。高温原位高分辨透射电镜测试表明，催化剂纳米晶在碳纳米管生长过程中能够维持其晶态结构；高分辨电镜对催化剂-碳纳米管界面结构的研究以及密度泛函理论模拟表明，催化剂与单壁碳纳米管管端结构的匹配是实现手性选择性生长的关键因素。 

　　图2：利用吸收光谱（a）和拉曼光谱（b）测得的（12, 6）型碳纳米管的含量，来源：www.pkunews.pku.edu.cn 

        该研究为解决单壁碳纳米管的结构可控生长这一困扰学界已久的难题提供了一种可能的方案，为碳纳米管的应用，尤其是碳基电子学的发展奠定了基础。 

        以上研究工作在国家自然科学基金委员会杰出青年基金和科技部重大研究计划纳米专项课题资助下完成，并得到了香港理工大学、中科院物理所、上海同步辐射光源等单位的协助。 

　　（来源：国家自然科学基金委；http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab88/info44672.htm ）