杜克大学大量生产半导体纳米管

以杜克大学为首的一组化学家在去年4月宣布发明了一种生长特别长、直、数量众多且排列有序的只有几个原子厚的碳纳米管的方法，如今他们修改了这一过程从而只制造出了半导体版本的这种单壁碳纳米管。杜克大学的JerryG.和PatriciaCrawfordHubbard教席化学教授刘杰领导了这项研究，他说这项成果为制造超细的十亿分之一米尺寸的可靠的纳米电路铺平了道路。

    "我认为这是这个领域的圣杯，"Liu说。"如今所有的东西都有了，包括对位置、定向和电特性所有这些特性的控制。我们现在可以大量制造电子器件，例如大电流场效应管和传感器。"

    由刘杰以及来自他在杜克大学的实验室以及中国北京大学的一组合作者撰写的关于这项成果的报告发表在了2009年1月20日出版的《纳米快报》（NanoLetters）杂志上。他们的研究受到了美国海军研究实验室、中国国家自然科学基金委员会、碳纳米管制造商UnidymInc、杜克大学以及中华人民共和国科学技术部的资助。

    刘杰已经为这种方法申请了一项专利。他的实验室的一位博士后研究员LeiDing是这份新的报告以及此前于2008年4月16日发表在《美国化学

    会杂志》（JACS）上的研究的第一作者。

    此前JACS的报告描述了这组科学家如何让纳米管森林形成了长而平行的路径，它们不会相互交叉，也就不会妨碍可能的电性能。他们的方法是在由电子领域使用的连续且完整的石英单晶制成的一个模板上生长碳纳米管。他们还使用了铜作为生长促进剂。

    碳纳米管有时候被称为"巴基管"（buckytubes），因为它们的末端接通的时候形成了足球形状的碳60分子，被称为巴基球（buckyballs）。已故的RichardSmalley因为合成巴基球而分享了诺贝尔奖，在来到杜克大学之前，刘杰当时就在Smalley领导的赖斯大学实验室工作。

    刘杰说，除了尺寸特别小，这些纳米管还提供了其他优点——包括比目前用于制造晶体管等微型电子元件的材料的发热量更少以及运行频率更高。他还说："在更高频率下运行意味着它们可以成为更优秀的无线通信器件。"

    但是2008年4月JACS的报告留下了一个没有解决的问题，让这些数量庞大的、直而且排列有序的纳米管无法用于电子元件。生成的纳米管只有部分是电的半导体。其他一些在电特性上相当于金属。刘杰说，为了在晶体管中工作，这些纳米管必须全都具有半导体的特性。

    在《纳米快报》的新报告中，这组科学家宣布他们通过一个修改而成功地实现了事实上全半导体的生长。在他们之前的研究中，他们在原料气中使用了酒精乙醇从而提供生长纳米管的基本成分的碳原子。在这项新的研究中，他们尝试了把不同比例的两种酒精——甲醇和乙醇——与另外两种此前他们使用的气体——氩和氢——混合在了一起。

    "我们发现通过使用两种酒精以及氩和氢的正确组合，我们可以专门生长半导体纳米管，"刘杰说。"这就像操纵一个调节旋钮。"惰性气体氩气被用于提供稳定的乙醇和甲醇，而氢用于防止铜催化剂不被氧化。

    这组科学家用900摄氏度的小型炉内通过化学气相沉积法制造了这些纳米管，之后把其中一些组装成了场效应管从而测试它们的电特性。

    "我们根据测量结果估计样本含有95%到98%的半导体纳米管，"这组科学家报告说。

    为了核实这一结果，这组科学家还用拉曼光谱检测了一些纳米管，这是一种通过研究材料如何与不同类型的激光相互作用从而区分半导体和金属属性的分析技术。

    根据这份新的《纳米快报》的报告，添加甲醇作为乙醇的补充还能缩小生成的纳米管的直径，而且和下面的石英晶体一起改善它们的原子排列。

    生成的纳米管只能用放大倍数极高的设备看到，例如扫描电子显微镜和原子力显微镜。这种中空的碳柱究竟具有金属性质还是半导体性质，这取决于它们的空间三维排列——科学家把这种性质称为"手性"。

    这个研究组的下一个挑战将是在原子层次上理解为何"就是这样"调节生长气体混合物导致了正确的手性，从而只产生了半导体纳米管。这组科学家还想知道是否另一种组合可能产生全金属性质的纳米管。

    "我们希望有能力控制那种手性，"他说。