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由基金科學(xué)研究所（IBS）多維碳材料中心的馮鼎教授團(tuán)隊(duì)在北京大學(xué)及其同事的合作下，在自然界發(fā)表的開創(chuàng)性研究已經(jīng)展示了如何控制合成被稱為碳納米管（CNT）的特殊微小碳圓柱，以便合成具有相同結(jié)構(gòu)的碳納米管的水平陣列。

如圖所示：（左）滾動(dòng)石墨烯到不同結(jié)構(gòu)的碳納米管中的圖示，由兩個(gè)指數(shù)表示，如（8,4）。 （右）平均直徑為1.21nm的碳納米管陣列的顯微鏡圖像。

由于其卓越的機(jī)械，電氣和熱性能，碳納米管被認(rèn)為是下一代微電子學(xué)的硅的優(yōu)秀替代品。然而，由于碳納米管的電子性質(zhì)是結(jié)構(gòu)依賴性的，發(fā)現(xiàn)合成具有相同結(jié)構(gòu)的碳納米管的可靠方法，而不是不同類型的混合物，這一直是科學(xué)家們在過去20年里困惑。

碳納米管類似于石墨烯片，卷成薄的管，比人的頭發(fā)薄十萬倍。然而，實(shí)際上，合成過程中不涉及滾動(dòng)，并且碳納米管通常通過催化化學(xué)氣相沉積從稱為催化劑的微小金屬顆粒的表面生長。除了是支持結(jié)構(gòu)之外，催化劑將烴分子分解成形成碳納米管的碳原子，并且促進(jìn)碳原子插入生長圓筒中。 2014年，丁和他的合作者發(fā)現(xiàn)，使用固體金屬合金催化劑，如W6Co7，可以導(dǎo)致具有特定結(jié)構(gòu)的碳納米管的合成。在他們最近的文章中，他們進(jìn)一步擴(kuò)展了這種知識(shí)。

像在戰(zhàn)艦游戲中船的位置由兩個(gè)數(shù)字定義，碳納米管的結(jié)構(gòu)由一對指數(shù)定義。 IBS科學(xué)家發(fā)現(xiàn)他們可以非常高的選擇性生長導(dǎo)電（12,6）和半導(dǎo)體（8,4）碳納米管。 這些結(jié)構(gòu)對于晶體管器件中的可能應(yīng)用是高度期望的。

考慮到催化劑的對稱性，碳納米管生長的動(dòng)力學(xué)和催化劑顆粒的尺寸，研究人員可以調(diào)整碳納米管朝向一種主要類型的生產(chǎn)。 當(dāng)使用碳化鎢（WC）作為催化劑時(shí)，發(fā)現(xiàn)（8,4）碳納米管優(yōu)先生長，而如果使用碳化鉬（Mo 2 C），則（12,6）結(jié)構(gòu)占優(yōu)勢。 Ding教授解釋說：“一種特定的催化劑可以產(chǎn)生一組特定的碳納米管，因?yàn)樗鼈兙哂邢嗤膶ΨQ性。 此外，碳納米管在襯底上平行生長，因此可直接用于器件應(yīng)用。

（8,4）碳納米管的純度達(dá)到80-90％，這是實(shí)驗(yàn)已經(jīng)達(dá)到的最高。 “理論計(jì)算表明，選擇性可以大于99.9％，表明仍有很大的改進(jìn)余地”，Ding教授解釋說。 第一次生產(chǎn)半導(dǎo)體（8,4）碳納米管陣列后，團(tuán)隊(duì)旨在了解和控制所有類型的碳納米管的形成，并提高未來的選擇性。