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分子種籽能培育相同結構的碳奈米管

公告類型: 奈米新知
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瑞士科學家發展出一種有效的方法,能長出成批分子結構完全相同的單壁式碳奈米管(SWCNT)。此新方法是利用鉑基板上的種籽分子(seed molecule)引導生長出具有所需結構的SWCNT。由於碳管的電性與其結構息息相關,因此這項突破對於發展碳管電子元件可能有極重大的影響。

SWCNT可視為由蜂巢晶格結構的石墨捲曲而成的管子,直徑約1 nm,不過捲曲的方式大約有100種,而捲曲成的結構會決定碳管是金屬性或半導體性;若是半導體性,其能隙寬度也隨結構而異。理論上,以碳管製成的電子元件會比以矽基元件運作得更快也更節能,但先決條件是科學家得先找出可靠的方法來成批製作相同結構的碳管。

化學廠可以經由小心製備將碳管的結構降至五種,再將所需的SWCNT分離出來,不過代價非常昂貴,以至於單一結構的SWCNT每毫克要價1000美元。有鑑於此,科學家非常希望研發出能大批製作單一結構碳管的方法。最近,瑞士聯邦實驗室的Juan Ramon Sanchez-Valencia等人終於有了突破。

穩定的碳管在管端必須有碳原子形成的蓋子(cap)封口,每種結構的碳管都自有對應的碳封蓋。瑞士團隊利用現行的有機化學合成技術製作出結構相同的封蓋分子,然後將它們置於鉑(platinum)表面做為種籽,在乙烯(ethylene)氣體中加熱,做為觸媒的鉑表面會攫取氣體中的碳原子轉交給碳封蓋,隨著碳原子由底下加入並將封蓋往上推,便可生長出具有預期結構的SWCNT。

瑞士團隊採用的封蓋為熱門的(6,6)扶手椅型結構,它能產生金屬性的SWCNT。研究人員長出長數百奈米的碳管,並以掃描式穿隧電子顯微鏡(STM)及拉曼光譜加以分析,結果顯示所有的SWCNT都有相同的結構,而且沒有缺陷。此新技術的優點之一是理論上1 Kg的種籽分子可以生長出5噸場度皆為10 μm的SWCNT,不過這將需要面積達30 Km2的鉑表面。

此外,通常在碳管還沒長到有用的長度就會先發生糾結現象,想以此技術量產SWCNT得先解決這個問題。詳見Nature 512, 61–64 (2014) | doi:10.1038/nature13607。


原始網站:https://nano.nchc.org.tw/index.php?apps=news&mod=welcome&action=show&gid=979
譯者/譯者服務單位:奈米科學網編譯   責任編輯:蔡雅芝 
發布日期: 2014/09/08
發布人員: 王芊樺