【NS精读】金属基底焕生的碳纳米管

碳纳米管（CNT）对显示器，传感器等大多数的应用具有非常重要的作用，高质量的CNT金属触点结构是这些应用方便快捷的前提，所以制备直接生长在金属基底上面的CNT是最简单方便快捷的方式。简单方便快捷的生长方式就说明工艺不能复杂，反应条件要容易实现。美国纽约伦斯勒理工学院材料科学与工程系的P. M. Ajayan教授与其课题组就研发出一种在导电金属基底上生长排列整齐的CNT三维结构，让CNT的生长不再局限于非导电基底，该成果就以“Direct growth of aligned carbon nanotubes on bulk metals”为题发表在Nature Nanotechnology上面。行行都有状元出，就看你能不能在这千千万万人干的行业中找到自己的特色，并将其发扬光大。

最普通的材料，注入独特的心血就能换发独特的色彩，作者就利用最常见的Inconel合金，利用气相沉积方法合成出排列整齐的CNT，而且不管是在什么形状的金属基底，通过扫描电镜都可以看到排列生长的CNT，而且CNT的管壁表现出良好的石墨化程度。通过这样的方法合成出来的CNT可以不受催化剂存在的空间限制就可以制造出三维排列的纳米管阵列，而且不受形状大小的金属基底大大增加了CNT在应用方面的灵活性。

花瓶好看却不中用，而应用则需要踏踏实实的实用性，为了检验金属基底上的CNT的实用性，作者必须得检测CNT与金属基底之间的机械强度和电透明性。可以看到CNT-导线组件确定的剪切粘合强度约为0.26 MPa，这与产业化碳化硅CNT的粘合强度（约为0.27 MPa）相似。说明金属基底CNT的机械强度过关。再观察不同温度下的电流-电压曲线可以看到，处于100k和40k温度之间的电流-电压的零偏压电导与温度呈线性关系，这可能是单个CNT之间独立的传导，而没有横向的迁移。这样的电阻器阵列中所表现出来的总电阻是比最小的单个电阻器的电阻要小。所以1+1大于2的公式在这里是不成立的。

而目前所知道的金属-CNT界面具有较大的接触电阻，该电阻性能参数会对大规模集成的延迟和功耗有着重要的影响。作者考虑到这一点，就对金属基底CNT的电阻进行了测量，为了保证数据的准确性，选取了CNT点来进行测量，最后得出平均的总电阻约为500 Ω，说明CNT与金属基底之间具有良好的电接触。

光是测出金属基底CNT的电阻还不足以证明材料性能的优越性，毕竟检验真理的唯一办法只有实践。作者就利用Inconel基底生长的纳米管阵列作为电极制造双层电容器（DLC），并检验其电容行为。从CV图可以看出金属基底CNT具有令人非常满意的电容行为，其矩形形状非常对称。相对于利用粘接剂涂覆的电极表现出更加优越的电化学性能，且不受粘接剂对材料性能的影响。除此之外，较大的电容器比电容和功率密度是非常适合大功率传输应用。

除此之外，CNT还有一个闻名的特性是场发射性。金属基底CNT的场发射特性测试就来验证一下材料的“刚性”如何？直接在Inconel上生长的CNT可构成用于场发射的单步复合阴极。可以看到金属基底CNT形成的单步复合阴极在几个小时内非常的平稳可靠，发射电流和施加电压的关系图中可以看到导通场E从3.91 V mm^-1降低至3.21 V mm^-1之后，相应的场增强因子β也在逐渐的增大，（从1900增大至2545）。而且随着时间的推移，尽管发射参数会变化，但是金属基底与CNT之间的电接触仍然保持稳定。说明材料的质量还是杠杠的。为了进一步推广技术的发展，作者还测试了沉积在其他金属基底上的Inconel薄层对纳米管生长的适用性，发现CNT额生长可以不受基底的限制，从而实现大规模制备各类金属基底生长CNT阵列可能性。作者还得出包含一种以上金属（例如Al，Cu，Co，Cr，Fe，Ni，Pt，Ta，Ti，Zn）的合金也可以支持CNT的生长。所以万事皆有可能，只有肯去尝试和挖掘，新的不一样的东西就能为你独放光芒。

参考文献：Talapatra, S., Kar, S., Pal, S. K., Vajtai, R., Ci, L., Victor, P., ... & Ajayan, P. M. (2006). Direct growth of aligned carbon nanotubes on bulk metals. Nature Nanotechnology, 1(2), 112-116.

文章来源：https://www.nature.com/articles/nnano.2006.56?utm_source=other&utm_medium=other&utm_content=null&utm_campaign=JRCN_2_DD01_CN_NatureRJ_article_paid_XMOL

本文有LLLucia供稿。

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