【NS精讀】金屬基底煥生的碳納米管

碳納米管（CNT）對顯示器，傳感器等大多數的應用具有非常重要的作用，高質量的CNT金屬觸點結構是這些應用方便快捷的前提，所以制備直接生長在金屬基底上面的CNT是最簡單方便快捷的方式。簡單方便快捷的生長方式就說明工藝不能復雜，反應條件要容易實現。美國紐約倫斯勒理工學院材料科學與工程系的P. M. Ajayan教授與其課題組就研發出一種在導電金屬基底上生長排列整齊的CNT三維結構，讓CNT的生長不再局限于非導電基底，該成果就以“Direct growth of aligned carbon nanotubes on bulk metals”為題發表在Nature Nanotechnology上面。行行都有狀元出，就看你能不能在這千千萬萬人干的行業中找到自己的特色，并將其發揚光大。

最普通的材料，注入獨特的心血就能換發獨特的色彩，作者就利用最常見的Inconel合金，利用氣相沉積方法合成出排列整齊的CNT，而且不管是在什么形狀的金屬基底，通過掃描電鏡都可以看到排列生長的CNT，而且CNT的管壁表現出良好的石墨化程度。通過這樣的方法合成出來的CNT可以不受催化劑存在的空間限制就可以制造出三維排列的納米管陣列，而且不受形狀大小的金屬基底大大增加了CNT在應用方面的靈活性。

花瓶好看卻不中用，而應用則需要踏踏實實的實用性，為了檢驗金屬基底上的CNT的實用性，作者必須得檢測CNT與金屬基底之間的機械強度和電透明性。可以看到CNT-導線組件確定的剪切粘合強度約為0.26 MPa，這與產業化碳化硅CNT的粘合強度（約為0.27 MPa）相似。說明金屬基底CNT的機械強度過關。再觀察不同溫度下的電流-電壓曲線可以看到，處于100k和40k溫度之間的電流-電壓的零偏壓電導與溫度呈線性關系，這可能是單個CNT之間獨立的傳導，而沒有橫向的遷移。這樣的電阻器陣列中所表現出來的總電阻是比最小的單個電阻器的電阻要小。所以1+1大于2的公式在這里是不成立的。

而目前所知道的金屬-CNT界面具有較大的接觸電阻，該電阻性能參數會對大規模集成的延遲和功耗有著重要的影響。作者考慮到這一點，就對金屬基底CNT的電阻進行了測量，為了保證數據的準確性，選取了CNT點來進行測量，最后得出平均的總電阻約為500 ?，說明CNT與金屬基底之間具有良好的電接觸。

光是測出金屬基底CNT的電阻還不足以證明材料性能的優越性，畢竟檢驗真理的唯一辦法只有實踐。作者就利用Inconel基底生長的納米管陣列作為電極制造雙層電容器（DLC），并檢驗其電容行為。從CV圖可以看出金屬基底CNT具有令人非常滿意的電容行為，其矩形形狀非常對稱。相對于利用粘接劑涂覆的電極表現出更加優越的電化學性能，且不受粘接劑對材料性能的影響。除此之外，較大的電容器比電容和功率密度是非常適合大功率傳輸應用。

除此之外，CNT還有一個聞名的特性是場發射性。金屬基底CNT的場發射特性測試就來驗證一下材料的“剛性”如何？直接在Inconel上生長的CNT可構成用于場發射的單步復合陰極。可以看到金屬基底CNT形成的單步復合陰極在幾個小時內非常的平穩可靠，發射電流和施加電壓的關系圖中可以看到導通場E從3.91 V mm^-1降低至3.21 V mm^-1之后，相應的場增強因子β也在逐漸的增大，（從1900增大至2545）。而且隨著時間的推移，盡管發射參數會變化，但是金屬基底與CNT之間的電接觸仍然保持穩定。說明材料的質量還是杠杠的。為了進一步推廣技術的發展，作者還測試了沉積在其他金屬基底上的Inconel薄層對納米管生長的適用性，發現CNT額生長可以不受基底的限制，從而實現大規模制備各類金屬基底生長CNT陣列可能性。作者還得出包含一種以上金屬（例如Al，Cu，Co，Cr，Fe，Ni，Pt，Ta，Ti，Zn）的合金也可以支持CNT的生長。所以萬事皆有可能，只有肯去嘗試和挖掘，新的不一樣的東西就能為你獨放光芒。

參考文獻：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.

文章來源：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。

歡迎大家到材料人宣傳科技成果并對文獻進行深入解讀，投稿郵箱: tougao@cailiaoren.com.

投稿以及內容合作可加編輯微信：cailiaorenVIP。