基于溶液法的单壁碳纳米管水平取向排列研究进展

作者：张小品; 邱松; 张兆春; 金赫华^*; 李清文

来源：材料导报, 2019, 33(03): 418-425.

• SWCNTs
• 水平取向排列
• 溶液法

单壁碳纳米管(SWCNTs)以其优异的物理、化学及电学性质,在微纳米电子器件领域表现出巨大的应用前景。作为典型的一维纳米材料,SWCNTs呈现出随结构变化的不同导电属性和手性的多样性。然而,通常直接生长制备的SWCNTs是金属性和半导体性碳纳米管的混合物或不同手性结构的混合体,这在很大程度上限制了SWCNTs在电子器件领域中的实际应用。因此,首先需要精细分离出单一导电属性或单一手性的SWCNTs,以满足制作高性能碳纳米管器件的要求。此外,SWCNTs的一维特性使其在性能上显示出极其显著的各向异性,即大部分情况下其轴向性能要优于径向性能。因而,对于SWCNTs的进一步应用来说,其取向排列问题也显得尤为重要。基于上述两个方面的因素,近年来,直接生长后经分散分离处理的SWCNTs通过外界作用力实现其取向排布的方法(即基于溶液法的后排列的方法),引起了研究者们的极大关注。基于溶液法的SWCNTs取向排列方法,需要首先通过表面活性剂或小芳香分子、大环共轭物、核酸、多肽等生物分子的物理吸附或化学修饰来实现SWCNTs的分散及分离,然后结合各种物理、化学方法实现其水平取向排列。随着学者们研究的不断深入,迄今已报道了一些能够实现SWCNTs水平取向排列的简单易行的方法,包括剪切力诱导法、溶剂蒸发自组装法、Langmuir-Blodgett和Langmuir-Schaefer法、化学自组装法、真空过滤法、电磁场诱导法和模板法以及上述两种或几种方法的组合等。但是以上方法在大多数情况下依然存在比较严重的缺陷,如取向过程受分散体系的影响严重,分散及分离过程中会引入表面活性剂、聚合物分散剂等外来杂质并对后续器件制作造成不良影响,以及取向排列面积小、取向效果不理想等。因此,高性能碳纳米管器件的应用不仅需要取向碳纳米管的直径均匀、手性单一,而且需要高度取向、大面积以及取向密度均匀可控,这些仍是亟待解决的巨大的挑战。本文从不同分散体系中SWCNTs的水平取向排列原理出发,在对当前碳纳米管水平取向方法进行了分类的基础上,阐述了各种方法的研究进展现状,比较了其优缺点,并对其今后的研究与发展方向做出了展望。

• 单位
  上海大学; 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所