众所周知，单壁碳纳米管（SWNTs）具有优良的力学、热学及电学性能，受到了广泛的研究。SWNTs优异的性能起源于其特殊的结构。理论结果显示，SWNTs的结构与其直径、手性均有密切的联系，利用这一点可将SWNTs用于制作生物传感器或标记物等。

在不同的应用领域中，SWNTs最广泛的应用还是电子学领域。目前，SWNTs在电子学领域的应用主要是利用其良好的导电性或高的开关比。但是，现有制备工艺生产出来的均为直径不同、手性各异的SWNTs混合物。特别是其中混杂的金属性（m-）和半导体性（s-）SWNTs，这种混合性的SWNTs 会使其电子迁移率和开关比大大降低，极大地阻碍了SWNTs在众多领域的研究和应用进展。例如s-SWNTs具有高的开关比，是场效应晶体管（FETs）沟道材料的理想选择。如果s-SWNTs中混有m-SWNTs，将会大大降低FETs的开关比，从而降低其性能。在透明导电材料的应用方面，m-SWNTs有望替代氧化铟锡（ITO）成为新一代透明导电材料。而m-SWNTs中如果混有s-SWNTs将会大大降低材料的电导率和透光率。除了导电性，m-和s-SWNTs在许多其他的物理和化学性质上也有所不同，如静态偏振度、掺杂效应、化学反应活性，以及其他与电子结构有关的性质等。s-SWNTs对电学阈值非常敏感，在不同的阈值电压下s-SWNTs的导电性具有数量级的变化。相反，对于m-SWNTs来说，电荷转移不会改变其费米能级附近的电荷密度，因此m-SWNTs对分子吸附和化学阈值不太敏感。

随着科学家们对SWNTs的深入研究，SWNTs的可控制备尤其是m-/s-SWNTs的选择性制备方面已经取得了许多实验研究成果，理论研究也表明选择性制备具有单一性能的SWNTs是可能的。但目前单一性能SWNTs的大规模、低成本制备仍然是一个技术难题，这也许就是制约着SWNTs进入商业化应用的主要原因。为了解决困扰SWNTs应用研究再进一步深入研究的难题，必须探索对不同结构和性质的SWNTs进行分离的技术和方法，尤其是m-SWNTs与s-SWNTs的纯化与分离具有非常重要的现实意义。

最近，武汉大学物理科学与技术学院潘春旭课题组的博士生罗成志等以金属性SWNTs（m-SWNTs）和半导体性SWNTs（s-SWNTs）的选择性制备为目标，系统分析和比较近几年发展的“原位”选择性制备的主要技术和方法，并在此基础上总结了SWNTs的金属型和半导体型控制生长的基本思路及实现途径，以期为后续SWNTs的规模化制备奠定基础。论文发表在《稀有金属材料与工程》上。文章的主要内容包括：

1、SWNTs的结构特征

2、m-SWNT与s-SWNT的选择性制备

由于具有单一电学性能的SWNTs在微纳电子等领域具有重要的应用前景，因此，获得单一性能的SWNTs已经成为近年来的研究热点。SWNTs分离研究的主要理论依据是基于不同手性碳纳米管具有的不同化学与电子结构，及其由此决定的微弱的物理和化学性质差异。主要体现在m-SWNTs拥有更小的能带间隙和更多的自由电子，其更倾向于失去或者得到电子，在化学反应中具有更高的活性。一般来说，分离m-和s-SWNTs的方法主要有二种：基于溶液的制备后分离法和“原位”分离法。制备后分离法包括：电泳法、胶带法、离心分离法、化学修饰法等。“原位”分离法有：弱氧化法、气相刻蚀法、紫外光刻蚀法等。

目前，用于电学器件的SWNTs主要是在溶液中分离后涂覆上去的。然而，由于基于溶液法而制备的SWNTs表面含有官能团和各种污染物，而且很难在目标基底上形成阵列排列，在实际应用中对电学器件的性能有很大影响。而一些高性能、柔性、透明薄膜器件需要使用简单的步骤实现SWNTs在大面积基底上均匀分布，这就要求SWNTs的制备与在基底上的沉积最好能一步完成，也就是“原位”分离。通过“原位”分离的SWNTs杂质少，不需要后续处理过程，最适合应用于微纳电子器件。因此，“原位”分离法将成为未来选择性制备m-或s-SWNTs的首选方法和发展方向。

2.1 s-SWNTs的“原位”选择性制备：

1）辐照法（Irradiation Method）是目前比较常用的制备s-SWNTs的方法，其依据是m-SWNTs活性较大，在辐照条件下容易反应而被移除。辐照法包括紫外可见光辐照、氙灯辐照、激光辐照和微波辐照等。

2）化学刻蚀法（Chemical Etching Method）。一般来说，m-SWNTs的化学活性较大，容易与氧化剂反应而被刻蚀。因此在制备SWNTs的过程中，通入弱氧化剂，如水蒸气，氧气等就能选择性地刻蚀m-SWNTs，从而得到s-SWNTs。

3）等离子增强CVD法（Plasma EnhancedCVD Method）。在等离子增强CVD（PECVD）系统中，利用等离子效应同样可制备高含量的s-SWNTs。

4）电学破坏法 (Electrical Breakdown Method)。这种简单高效的方法可以将s-SWNTs的开关比提高几个数量级。该方法不仅对阵列SWNTs有效，对基于随机排列SWNTs的TFT也有很好的效果。值得指出的是，电学破坏不仅仅是移除m-SWNTs，还能局部加热剪切长的SWNTs。

5）磁场辅助法（Magnetic Field Assisted Method）。我们课题组利用s-SWNTs和m-SWNTs在电磁性能方面的差异，进一步通过施加磁场来获得高含量的s-SWNTs。有研究表明s-SWNTs在垂直和平行于长轴的方向都表现出逆磁性（χ<0），而m-SWNTs在平行于长轴方向表现出顺磁性（χ>0）。磁化率的不同将会使m-SWNTs和s-SWNTs在磁场中的受力不同，因此可以选择性的诱导s-SWNTs在基底上沉积。我们的实验是在自制的磁场辅助浮动催化剂化学气相沉积（FCCVD）系统中完成的，中心磁场强度连续可调，最大可达1 T。实验中二茂铁和硫做催化剂，CH₄为碳源，SWNTs在高温区生长然后在低温区（<60 ℃）连续沉积。本方法最大的优点是可以在各种基底“一步”沉积SWNTs，如SiO₂/Si、玻璃、甚至是有机聚合物，而且SWNTs的密度可以通过反应时间来控制。

磁场辅助法制备s-SWNT

（Chengzhi Luo, Da Wan, Junji Jia, Delong Li, Chunxu Pan, Lei Liao: " A rational design for the separation of metallic and semiconducting single-walled carbon nanotubes by magnetic field ", Nanoscale, 2016, 8: 13017–13024 .）

2.2 m-SWNTs的“原位”选择性制备

目前选择性制备m-SWNTs的报道很少。有人通过在高温下通入SO₃刻蚀s-SWNTs，从而制备高含量的m-SWNTs。此方法简便易行，无需任何后续处理过程。另外，该方法的产量也很大，在2 h内可以制备5 mg的m-SWNTs。还有人则利用电弧放电法在Fe(CO)₅气氛下选择性地制备出了含量高于90%的m-SWNTs。在他们的研究中Fe(CO)₅是成功制备m-SWNTs的关键。在没有Fe(CO)₅气氛条件下制备的产物光学吸收谱中有M₁₁，S₂₂，S₃₃的峰，表明其中含有大量s-SWNTs。在Fe(CO)₅气氛条件下制备的产物光学吸收谱中主峰为M₁₁峰，且M₁₁的峰强随Fe(CO)₅的流速增大而增强，表明m-SWNTs的含量随Fe(CO)₅的流速的增大而增大。

3 结束语

目前的“原位”选择性制备技术各有优缺点：辐照法的优点是能在基底上直接生长s-SWNTs，缺点是对碳管的结构会有破坏；化学刻蚀法的优点是产量大，但获得的SWNTs缺陷较多；PECVD法的优点是能生长阵列的s-SWNTs而且能降低制备温度，但该方法对仪器设备的要求高，而且SWNTs的产量低；电学破坏法具有最高的选择效率（100%），但操作步骤复杂；磁场辅助法的优点是选择效率高（99%）、产量大，但也存在制备参数不易控制的缺点。

进一步开发出能够实现产量高、纯度高、操作简便的选择性制备技术是今后的研究目标。从产量和纯度的角度分析，磁场辅助法具备很好的应用前景，是未来SWNTs分离研究努力的方向。在未来随着磁场技术的发展，有望在超强磁场下制备含量为100%的s-SWNTs。另外，也可以通过磁场调控来生长单一手型的SWNTs。此外，为了获取结构可控、手性单一的SWNTs，精确控制合成研究是另一个重要方向。碳纳米管的可控制备技术与分离技术相辅相成，未来在这两个领域取得的任何技术进步与革新都将大大推动SWNTs的实际广泛应用。

该文发表：罗成志，李芳莹，潘春旭：“半导体型与金属型单壁碳纳米管的“原位”选择性制备及其研究进展”，《稀有金属材料与工程》，2017, 46(12): 4012-4020（SCI，四区，IF0.258）上。

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