電弧法選擇性合成半導(dǎo)體型單壁碳納米管的研究

半導(dǎo)體型單壁碳納米管是迄今為止最好的半導(dǎo)體材料之一，可望取代現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體。但是，傳統(tǒng)合成方法所獲得的單壁碳納米管是半導(dǎo)體型和金屬型的混合物，嚴(yán)重限制了其在微電子等領(lǐng)域的應(yīng)用。本項(xiàng)目發(fā)展了改進(jìn)的電弧法，有效地控制了單壁碳納米管的結(jié)構(gòu)及電子性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體型單壁碳納米管的選擇性生長(zhǎng)。首先，設(shè)計(jì)并合成了新的催化劑體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)單壁碳納米管的管徑及其分布的有效控制。接下來，通過在載氣內(nèi)添加二氧化碳等弱氧化性物質(zhì)有效地抑制了金屬型單壁碳納米管的生長(zhǎng)，考察了添加弱氧化性物質(zhì)的種類和含量對(duì)單壁碳納米管生長(zhǎng)過程的影響，成功地實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體型單壁碳納米管的選擇性生長(zhǎng)，并明確了其選擇性生長(zhǎng)機(jī)理。最后，深入研究了碳納米管的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)關(guān)系，探索了半導(dǎo)體型單壁碳納米管在光催化等方面的應(yīng)用。 2100433B

半導(dǎo)體型單壁碳納米管(SWNTs)是迄今為止最好的半導(dǎo)體材料之一，可望取代現(xiàn)有的硅基半導(dǎo)體。但由于合成的半導(dǎo)體型SWNTs中總伴生大量的金屬型SWNTs而造成SWNT場(chǎng)效應(yīng)晶體管的性能降低。本課題研究利用金屬型SWNTs反應(yīng)性能較強(qiáng)、更易失去電子，而半導(dǎo)體型SWNTs較穩(wěn)定的性質(zhì)差異，通過在電弧法合成SWNTs的過程中在載氣中引入弱氧化性物質(zhì)或含氧物質(zhì)，如二氧化碳、一氧化碳、甲醇等,抑制金屬型SWNTs的生長(zhǎng)，從而選擇性合成半導(dǎo)體型SWNTs。并且由于SWNTs的管徑越小金屬型與半導(dǎo)體型SWNTs的反應(yīng)活性差異越大，擬通過控制催化劑的組成和顆粒大小來合成小管徑的SWNT，進(jìn)一步提高半導(dǎo)體型SWNTs的選擇性。

2020年度國(guó)家自然科學(xué)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)項(xiàng)目。

主要完成人：

李彥（北京大學(xué)）

楊烽（北京大學(xué)）

楊娟（北京大學(xué)）

褚海斌（北京大學(xué)）

金鐘（北京大學(xué)）

電弧通常分為三個(gè)區(qū)域：陰極區(qū)、弧柱區(qū)、陽極區(qū)

電弧陰極和陰極區(qū)

電弧中的電流從微觀上看是電子及正離子在電場(chǎng)作用下移動(dòng)的結(jié)果，其中電子的移動(dòng)構(gòu)成電流的主要部分。陰極的作用是發(fā)射大量電子，在電場(chǎng)的作用下趨向陽極方向從而構(gòu)成陰極區(qū)的電流。

電弧的陰極區(qū)對(duì)電弧的發(fā)生和物理過程具有重要的意義，形成電弧放電的大部分電子是在陰極區(qū)產(chǎn)生或由陰極本身發(fā)射的。電弧放電時(shí)，實(shí)際上并不是整個(gè)陰極全部參加放電過程，陰極表面的放電只集中在幾個(gè)很小的區(qū)域，這個(gè)小區(qū)域稱為陰極斑點(diǎn)，它是一個(gè)非常集中，面積很小的光亮區(qū)域，其電流密度很大．是電弧放電中強(qiáng)大電子流的來源。

陰極發(fā)射電子的機(jī)制有兩種：熱發(fā)射和場(chǎng)致發(fā)射。

電弧弧柱

陰極表面電于發(fā)射只形成陰極區(qū)的電流，弧柱部分導(dǎo)電需要在弧柱區(qū)域也能出現(xiàn)大量自由電子，這就需要使弧柱區(qū)的氣體原子游離。氣體原子游離的方式通常有電場(chǎng)游離和熱游離兩種。

與可逆化學(xué)反應(yīng)相似。在電弧中一方面由于熱游離使得正離子與電子不斷增多。同時(shí)也存在去游離的作用，使正離子和電子減少。去游離包括復(fù)合和擴(kuò)散兩種方式。

弧柱的特性和物理過程對(duì)電弧起著重要的作用。開關(guān)電弧中主要研究的就是弧柱的特性。

電弧陽極和陽極區(qū)

可把陽極分為被動(dòng)型和主動(dòng)型兩種。

在被動(dòng)型中。陽極只起收集電子的作用。在主動(dòng)型中，陽極不但收集電子而且產(chǎn)生金屬蒸氣，因而也可以向弧柱提供帶電粒子。

陽極表面也存在陽極斑點(diǎn)。

上述三個(gè)區(qū)域?qū)﹄娀〉淖饔靡螂娀〉那闆r不同而不同。對(duì)于長(zhǎng)度只有幾個(gè)毫米的電弧。電弧電壓主要由陰極區(qū)壓降和陽極區(qū)壓降組成，其中的物理過程對(duì)電弧起主要作用。這種電弧稱為短弧。而對(duì)于長(zhǎng)度較大的電弧，弧柱則起主要作用，陰極、陽極的過程不起主要作用甚至可以忽略，這種電弧稱為長(zhǎng)弧。在開關(guān)中的電弧一般屬于長(zhǎng)弧。