近日，武汉大学物理科学与技术学院潘春旭课题组在选择性制备半导体性单壁碳纳米管研究领域取得重要进展。相关成果以“Arational design for the separation of metallic and semiconducting single-walledcarbon nanotubes using a magnetic field”为题，发表在英国皇家化学会旗下《Nanocale》上。

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，在许多领域尤其是电子学领域具有重大的潜在应用。目前，SWNTs在电子学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SWNTs均为不同管径大小、手性结构各异的混合物，尤其是同时含有金属性（m-）和半导体性（s-）的SWNTs。这种不同性质SWNTs的机械性混合导致其物理学能与功能大打折扣，甚至与其理论值相差甚远，这极大地阻碍了SWNTs在微纳电子器件领域的应用和发展。为了解决困扰单壁碳纳米管应用的难题，必须对不同结构和性质的SWNTs进行分离，也就是要实现m-/s-SWNTs的纯化处理。目前分离方法主要有两种：制备后分离和“原位”分离。1）制备后分离法有：电泳法、胶带法、离心分离法、化学修饰法等。这些方法的优点是产量高，缺点是会带来杂质和缺陷，使单壁碳纳米管的电子迁移率降低，而且这些方法只对短的SWNTs有效。2）“原位”分离法有：弱氧化法、气相刻蚀法、紫外光刻蚀法等。这些方法的优点是能够获得高质量的s-SWNTs，但缺点是只能在基底表面少量生长，另外，大部分方法都在高温下制备，需要经过转移、涂覆等步骤才能应用于电子器件中。然而，在实际应用中，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s-SWNTs的制备与在基底上的沉积最好能一步完成。

为了解决s-SWNTs产量与质量的矛盾，潘春旭教授和博士生罗成志等提出了一种全新的无破坏“原位”大量制备s-SWNTs的新方法，即，在浮动催化剂化学气相沉积法（CVD）制备SWNTs的过程中，“原位”引入磁场选择性地制备s-SWNTs。利用该方法可实现s-SWNTs的生长与在基底的沉积一步完成。所制备的s-SWNTs含量高达99%，且密度可控，可在任意基底上制备。该方法利用的是m-SWNTs与s-SWNTs磁性差异，从而实现外加磁场来选择性沉积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金属性和半导体性的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。实验结果表明随着磁场强度的增大，s-SWNTs的含量随着磁场强度的增大而增加。当磁场强度达到1T时，可制备含量大于99%的s-SWNTs。

该方法制备的s-SWNTs有望大规模应用于高性能、柔性、透明薄膜晶体管。除了选择性制备s-SWNTs，该方法还有望制备单一手性的SWNTs。

图1磁场辅助浮动催化剂CVD的示意图

图2s-SWNTs的微结构表征

图3s-SWNTs的电学性能测试