国家自然科学基金推动碳纳米管研究

日期 2006-05-22　来源：科学时报　作者：任黎明　【大中小】　【打印】　【关闭】

　　碳纳米管，这一为大多数人所陌生的名字，对于中科院化学所有机固体院重点实验室的研究人员来说，却是他们近年来一直从事的科研对象之一。　　科研灵感源自经验累积　　"诺贝尔化学奖获得者Smalley曾经说过：碳纳米管将是一种价格便宜、环境友好并且为人类创造奇迹的新材料。"研究小组负责人在接受《科学时报》采访时介绍，碳纳米管的应用领域十分广泛，具有巨大的商业价值：其高强度的特性使它可以作为超细高强度纤维，也可作为复合增强材料；其独特的电学性能，使其可用于多种半导体器件，如场效应晶体管、二极管、逻辑电路等，甚至大规模集成电路。因此世界各国在其制备和应用领域都投入了大量的研究开发力量。期望能占领该技术领域的制高点。　　"中科院化学所自上世纪80年代以来就开展了分子电子学的研究工作，现已连续完成了多个相关项目。"研究人员告诉记者，分子材料的设计、合成，结构表征和器件性能的科研工作一直连续得到国家自然科学基金委和中科院的支持，他们正承担的分子晶体管：材料、模型器件及性能、分子场效应晶体管及其电路的基础研究和有机场效应晶体管的基础研究，就分属于基金委面上项目、重点项目和中科院知识创新项目。　　"碳纳米管的关键材料是半导体层和绝缘材料，我们所做的工作就是要在这两个关键材料上取得进展。"研究小组负责人介绍，"场效应晶体管（field－effect transistor）是利用改变电场来控制固体材料导电能力的有源器件。它的作用就像一个可控的阀门，犹如一个自来水龙头控制水的流动"。　　记者了解到，在薄膜型结构的有机场效应晶体管的绝缘层、半导体层和电极三个组成结构中，绝缘层的介电常数、致密性和厚度对晶体管的性能影响较大，而通常使用的二氧化硅绝缘层的介电常数较低(3.9)，于是，能否找到一种取代的新材料成了研究工作的突破点。　　"按材料常识我们很快就想到了氧化铝，因为不但介电常数高达8.6～10，还具有低渗透性、高热稳定性等优点，但是由于氧化铝熔点非常高，难以采用常规技术制作氧化铝绝缘层，之前还没有方便、廉价地使用氧化铝作为栅级绝缘层包覆一维纳米材料的实验报道。"研究小组负责人说，"但在此之前，我们已经成功地利用超临界流体技术制备碳纳米管-金属氧化物异质结功能材料，以往的经验告诉我们，超临界流体技术将很有可能简单、高效地将氧化铝不连续地包覆在碳纳米管表面"。　　"超临界流体既不同于气体，也不同于液体，具有许多独特的物理化学性质。超临界液体具有接近于液体的密度，这赋予它很强的溶剂化能力；同时，其黏度与气体接近，扩散系数比液体大，具有良好的传质性能。另外，超临界流体的表面张力为零，因此它们可以进入到任何大于超临界流体分子的空间。"研究人员向记者描述了超临界流体的特性，这正是克服氧化铝熔点高的难题的奥秘所在。　　细致观察带来创新发现　　碳纳米管因其优良的电学和机械性能目前已经广泛地被用来制作多种纳米电子器件，但是如何将这些独立的电子器件连接成一个功能系统，如纳米电路等，仍是纳米电子学领域的一大挑战。该实验室研究人员提出了一种新的制备方法来解决这一难题，他们发现气流波动能可控地制备分支碳纳米管阵列，同时通过改变气流的成分就可以控制分支碳纳米管中各部分的化学组成。　　"气流波动法是我们对被人们忽略的一个现象进行深入研究而发现的，在化学气相沉积法制备的碳纳米管中，我们都会观察到少量的分支碳纳米管。也许因为其含量很少，很多研究人员都忽略了这一现象，这些分支碳纳米管的生成很难通过现有的理论来解释。"敏感的研究人员意识到在这一现象背后一定隐含着一种制备分支碳纳米管的新办法，于是他们对这一现象进行了深入的研究。　　"通过一系列实验，我们发现反应过程中气流的不稳定是这些分支碳纳米管形成的直接原因，依次我们提出了气流波动诱发的催化剂粒子合并机制来解释这一现象。因为在碳纳米管制备过程中我们很难保证气流的绝对稳定，所以在产物中都或多或少地存在一点分支碳纳米管。如果我们人为地引入气流波动，那么分支碳纳米管的含量就会大大提高，同时根据我们提出的生成机制，分支碳纳米管的结构和化学组成是完全有可能控制的，而这些通过现有的方法都很难控制。"据此，他们提出了分支碳纳米管形成的一种新方法。这种方法简单可控，为分支碳纳米管用于制备未来的纳米集成电路提供了可能，并可能用于制备其他材料的分支纳米结构，对分支纳米结构的制备和纳米器件的集成具有重要意义。　　基金支持促进科研进展　　记者了解到如同其他基础项目一样，该课题组的项目资金都来源于国家自然科学基金委和科学院的知识创新项目。"碳纳米管虽然是基础项目，但纳米材料的表征、纳米器件的制作费用都较高。另外，由于纳米器件加工难度大、影响因素多，成功率比较低，更加大了实验耗费。"研究小组负责人告诉记者，"我们的研究进展和基金项目给我们的支持是密不可分的，基金项目不光使我们具备了从事科学研究的最基本条件，还使得我们实验条件得到了较大的改善。正是由于实验条件的逐渐改善，我们的创新思想有了充足的条件去实现，从而激发了我们创新的积极性并培养了我们动手实现创新思想的能力。同时，研究人员通过参与这些基金项目，培养了团队协作和创新的精神，以及通过实验实现创新思想的能力"。　　研究小组负责人同时指出，不同于国外大企业直接参与科研开发和应用，直接投入资金，从实验室走向产业化比较快，国内的基础项目基本要依靠各类基金，而国内企业则参与太少，存在一定程度上研究和开发的脱节，希望国内企业更多关注和参与，共同促进碳纳米管研究从实验室走向产业化、走进人们的生活。