单壁碳纳米管具有优异的电学、力学等性能，尤其在纳电子学上对电子和空穴都表现出超高的迁移率，被认为是后摩尔时代最有潜力的制作CMOS集成电路的纳米材料之一。碳纳米管可看作是由石墨片沿一定方向卷曲而成的空心圆柱体，根据卷曲方式（通常称为“手性”）的不同，可以体现金属性或带隙不同的半导体性。由于单壁碳纳米管结构的多样性和相似性使其结构的控制制备面临着巨大的挑战，尤其是手性的精确控制，已成为制约碳基电子学发展的瓶颈问题。
北京大学化学与分子工程学院、纳米化学研究中心的张锦教授课题组长期致力于碳纳米管的结构控制制备方法研究，取得了一系列重要进展。提高碳纳米管水平阵列的密度是提高碳管器件集成度的首要条件。由于高温下催化剂的聚集和失活，无法获得高密度碳管水平阵列。他们提出了“特洛伊”催化剂的概念，解决了催化剂聚集的难题，实现了密度高达130根/微米（局部大于170）碳管水平阵列的生长（Nat. Commun., 2015, 6, 6099）。为了进一步实现碳纳米管的结构控制，他们发展了双金属催化剂（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 1012）、半导体氧化物催化剂（Nano Lett., 2015, 15, 403）和碳化物催化剂（J. Am. Chem. Soc., 2015, 137, 8904），实现了不同结构碳纳米管的控制生长。通过对生长过程的调控，实现了密度大于100根/微米、半导体含量大于90%的碳管阵列的生长（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 6727）和小管径阵列单壁碳纳米管的生长（J. Am. Chem. Soc., 2016, 138, 12723）。
最近，张锦教授课题组提出了一种利用碳纳米管与催化剂对称性匹配的外延生长碳纳米管的新方法，通过对碳纳米管成核的热力学控制和生长速度的动力学控制，实现了结构为（2m, m）类碳纳米管水平阵列的富集生长。他们选用碳化钼为催化剂，制备了纯度高达90%，结构为（12, 6）的金属性碳纳米管水平阵列，密度为20根/微米。他们还用碳化钨做催化剂，制备了结构为（8, 4）的半导体性碳纳米管水平阵列，其纯度可达80%。该研究为单壁碳纳米管的单一手性可预测生长提供了一种新方案，也为碳纳米管的应用，尤其是碳基电子学的发展奠定了基础。该成果于2017年2月15日在线发表在《自然》杂志上（doi:10.1038/nature21051）。该工作得到了来自科技部和国家自然科学基金委等项目的资助。

单壁碳纳米管的结构控制生长
编辑：安宁