基于溶液法的单壁碳纳米管水平取向排列研究进展

张小品^1,2，邱松²，张兆春¹，金赫华²，李清文²

1. 上海大学材料科学与工程学院2. 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所中国科学院纳米器件与应用重点实验室

摘 要：单壁碳纳米管（SWCNTs）以其优异的物理、化学及电学性质,在微纳米电子器件领域表现出巨大的应用前景。作为典型的一维纳米材料,SWCNTs呈现出随结构变化的不同导电属性和手性的多样性。然而,通常直接生长制备的SWCNTs是金属性和半导体性碳纳米管的混合物或不同手性结构的混合体,这在很大程度上限制了SWCNTs在电子器件领域中的实际应用。因此,首先需要精细分离出单一导电属性或单一手性的SWCNTs,以满足制作高性能碳纳米管器件的要求。此外,SWCNTs的一维特性使其在性能上显示出极其显著的各向异性,即大部分情况下其轴向性能要优于径向性能。因而,对于SWCNTs的进一步应用来说,其取向排列问题也显得尤为重要。基于上述两个方面的因素,近年来,直接生长后经分散分离处理的SWCNTs通过外界作用力实现其取向排布的方法（即基于溶液法的后排列的方法）,引起了研究者们的极大关注。基于溶液法的SWCNTs取向排列方法,需要首先通过表面活性剂或小芳香分子、大环共轭物、核酸、多肽等生物分子的物理吸附或化学修饰来实现SWCNTs的分散及分离,然后结合各种物理、化学方法实现其水平取向排列。随着学者们研究的不断深入,迄今已报道了一些能够实现SWCNTs水平取向排列的简单易行的方法,包括剪切力诱导法、溶剂蒸发自组装法、Langmuir-Blodgett和Langmuir-Schaefer法、化学自组装法、真空过滤法、电磁场诱导法和模板法以及上述两种或几种方法的组合等。但是以上方法在大多数情况下依然存在比较严重的缺陷,如取向过程受分散体系的影响严重,分散及分离过程中会引入表面活性剂、聚合物分散剂等外来杂质并对后续器件制作造成不良影响,以及取向排列面积小、取向效果不理想等。因此,高性能碳纳米管器件的应用不仅需要取向碳纳米管的直径均匀、手性单一,而且需要高度取向、大面积以及取向密度均匀可控,这些仍是亟待解决的巨大的挑战。本文从不同分散体系中SWCNTs的水平取向排列原理出发,在对当前碳纳米管水平取向方法进行了分类的基础上,阐述了各种方法的研究进展现状,比较了其优缺点,并对其今后的研究与发展方向做出了展望。

关键词：SWCNTs;水平取向排列;溶液法;