限域Fe催化剂制备高密度单壁碳纳米管阵列：催化剂-基底相互作用工程

单壁碳纳米管因其卓越的电学性质被认为是下一代集成电路中最好的沟道材料之一。为满足在一块芯片上制造数十亿个晶体管的要求，单壁碳纳米管阵列的高密度是重要前提。在过去几十年里，科学家们为提高其密度付出了巨大努力，但仍存在一些难题。一方面，通过后处理方法得到的高密度单壁碳纳米管阵列通常存在被污染、定向差或相互交缠等问题。另一方面，催化剂纳米粒子在基底上的迁移和聚集等问题也极大地限制了直接生长单壁碳纳米管阵列的密度。因此为了获得表面洁净且排列整齐的高密度单壁碳纳米管阵列，调控生长基底本身的形貌及其与负载在其上的催化剂纳米颗粒的相互作用获得关注。

近日，基于前期发表的利用“特洛伊催化剂”在a面(11-20)蓝宝石基底上生长高密度单壁碳纳米管阵列的方法（Nat. Commun., 2015, 6, 6099），温州大学胡悦特聘教授团队、北京大学张锦教授团队与南京邮电大学李盼副教授合作，通过合理控制基底重构，开发了一种简单有效的催化剂限域策略，阐述了催化剂-基底相互作用对生长高密度单壁碳纳米管阵列的影响。扫描电子显微镜和原子力显微镜图像表明，单壁碳纳米管阵列密度可达130根/微米，可覆盖整个生长基底表面。相关成果发表在Small上，第一作者为胡悦特聘教授，通讯作者为胡悦特聘教授、李盼副教授和张锦教授。

众所周知，蓝宝石的不同晶面具有不同的表面能，因此与催化剂相互作用不同。理论计算表明，相比a面，Fe团簇更易在蓝宝石c面吸附。实验则表明虽然催化剂在c面上的分散性更好，但催化效率低于在a面上的催化剂。综合理论分析和实验观察，同时保证催化剂稳定性与活性是实现高密度单壁碳纳米管阵列生长的关键。

通过对基底进行高温退火，基底表面会出现大量垂直于a面(11-20)的c面(0001)，将原来连续的a面分解成许多尺寸狭窄的独立的纳米条带，形成一个合适的区域来限制催化剂纳米颗粒的移动。类似于体相催化中的纳米限域效应，在退火基底上新形成的a面纳米条带被用来为催化剂纳米粒子提供适度的约束。同时，以c面为物理屏障，可以有效地阻止催化剂纳米粒子越过a面纳米条带。因此，通过催化剂的限域效应，可以获得具有合适尺寸的稳定的催化剂纳米颗粒，进而促进高密度单壁碳纳米管阵列的生长。并且只需简单地改变退火时间，就可以调整基底的重构程度进而改变催化剂-基底间的相互作用。最后将表面重构策略与“特洛伊”催化剂体系相结合，可以获得密度为130根/微米的单壁碳纳米管阵列，且可覆盖整个生长基底表面，这结果也为其他一维纳米材料的合成提供了新的思路。Small, 2021, DOI: 10.1002/smll.202103433