美國科學家利用石墨烯(graphene)與奈米碳管(carbon nanotube, CNT)製作出一種新穎無縫的三維複合材料。此材料具有極高的比表面積(specific surface)(超過2000 m2/g)，可望用來製作性能絕佳的儲能裝置以及奈米電子元件。
石墨烯和奈米碳管具有許多優異的電子與機械性質，像是載子遷移率、電/熱導率、抗拉強度以及表面積等。結合二維的石墨烯與一維的奈米碳管讓這些性質能在三維材料中發揮，對於儲能及奈米電子科技將所有助益。然而，要在這兩種材料間形成共價鍵結相當困難，原因是它們須成長於不同的基板上。奈米碳管使用氧化鋁以及鐵，石墨烯則需鎳和銅等金屬催化劑。事實上，在過去的實驗中，碳管往往是以物理方式吸附於石墨烯上，而非透過sp2混成共價碳鍵結合。
萊斯(Rice)大學的James Tour等人最近克服了此難題。他們以甲烷為碳源，利用化學氣相沉積法在1000 °C的環境下成長少層石墨烯於多孔鎳金屬上，接著透過電子束沉積的Fe/Al2O3成長奈米碳管於石墨烯上。調整成長時間可控制此「奈米碳管叢林」(CNT forest)的高度。在此方法中，鐵催化劑扮演著一個關鍵角色，因為在蝕刻石墨烯的同時，它也催化了奈米碳管的成長。Tour表示，完成的金屬-石墨烯-奈米碳管複合材料可直接用來製作場發射元件以及雙層電容器，其性能與目前最佳元件相較下有過之而無不及。
Tour進一步說明，對場發射元件而言，在電流密度0.01 mA/cm2下測到的啟動電場為0.26 V/um(目前最低記錄之一)，而在電場0.87 V/um下獲得的電流密度則為12.67 mA/cm2(目前最高記錄之一)。作為雙層電容器之用，其比電容值約為100 F/g，與目前最佳的碳材料電容元件旗鼓相當。高解析相差修正穿透式電子顯微鏡顯示石墨烯與奈米碳管之間為共價結合，確保了兩材料間的無縫接面。
該團隊目前計畫在石墨烯和奈米碳管成長過程中添加如氮等摻雜物，他們預期此摻雜複合材料有潛力應用於燃料電池與鋰電池上。詳見ACS Nano｜DOI: 10.1021/nn3015882。
原始網站: http://nano.nchc.org.tw/
譯者:劉家銘(逢甲大學光電學系)
責任編輯:蔡雅芝