电弧法选择性合成半导体型单壁碳纳米管的研究

半导体型单壁碳纳米管是迄今为止最好的半导体材料之一，可望取代现有的硅基半导体。但是，传统合成方法所获得的单壁碳纳米管是半导体型和金属型的混合物，严重限制了其在微电子等领域的应用。本项目发展了改进的电弧法，有效地控制了单壁碳纳米管的结构及电子性质，实现了半导体型单壁碳纳米管的选择性生长。首先，设计并合成了新的催化剂体系，实现了对单壁碳纳米管的管径及其分布的有效控制。接下来，通过在载气内添加二氧化碳等弱氧化性物质有效地抑制了金属型单壁碳纳米管的生长，考察了添加弱氧化性物质的种类和含量对单壁碳纳米管生长过程的影响，成功地实现了半导体型单壁碳纳米管的选择性生长，并明确了其选择性生长机理。最后，深入研究了碳纳米管的结构与性质关系，探索了半导体型单壁碳纳米管在光催化等方面的应用。 2100433B

半导体型单壁碳纳米管(SWNTs)是迄今为止最好的半导体材料之一，可望取代现有的硅基半导体。但由于合成的半导体型SWNTs中总伴生大量的金属型SWNTs而造成SWNT场效应晶体管的性能降低。本课题研究利用金属型SWNTs反应性能较强、更易失去电子，而半导体型SWNTs较稳定的性质差异，通过在电弧法合成SWNTs的过程中在载气中引入弱氧化性物质或含氧物质，如二氧化碳、一氧化碳、甲醇等,抑制金属型SWNTs的生长，从而选择性合成半导体型SWNTs。并且由于SWNTs的管径越小金属型与半导体型SWNTs的反应活性差异越大，拟通过控制催化剂的组成和颗粒大小来合成小管径的SWNT，进一步提高半导体型SWNTs的选择性。

2020年度国家自然科学奖二等奖项目。

主要完成人：

李彦（北京大学）

杨烽（北京大学）

杨娟（北京大学）

褚海斌（北京大学）

金钟（北京大学）

电弧通常分为三个区域：阴极区、弧柱区、阳极区

电弧阴极和阴极区

电弧中的电流从微观上看是电子及正离子在电场作用下移动的结果，其中电子的移动构成电流的主要部分。阴极的作用是发射大量电子，在电场的作用下趋向阳极方向从而构成阴极区的电流。

电弧的阴极区对电弧的发生和物理过程具有重要的意义，形成电弧放电的大部分电子是在阴极区产生或由阴极本身发射的。电弧放电时，实际上并不是整个阴极全部参加放电过程，阴极表面的放电只集中在几个很小的区域，这个小区域称为阴极斑点，它是一个非常集中，面积很小的光亮区域，其电流密度很大．是电弧放电中强大电子流的来源。

阴极发射电子的机制有两种：热发射和场致发射。

电弧弧柱

阴极表面电于发射只形成阴极区的电流，弧柱部分导电需要在弧柱区域也能出现大量自由电子，这就需要使弧柱区的气体原子游离。气体原子游离的方式通常有电场游离和热游离两种。

与可逆化学反应相似。在电弧中一方面由于热游离使得正离子与电子不断增多。同时也存在去游离的作用，使正离子和电子减少。去游离包括复合和扩散两种方式。

弧柱的特性和物理过程对电弧起着重要的作用。开关电弧中主要研究的就是弧柱的特性。

电弧阳极和阳极区

可把阳极分为被动型和主动型两种。

在被动型中。阳极只起收集电子的作用。在主动型中，阳极不但收集电子而且产生金属蒸气，因而也可以向弧柱提供带电粒子。

阳极表面也存在阳极斑点。

上述三个区域对电弧的作用因电弧的情况不同而不同。对于长度只有几个毫米的电弧。电弧电压主要由阴极区压降和阳极区压降组成，其中的物理过程对电弧起主要作用。这种电弧称为短弧。而对于长度较大的电弧，弧柱则起主要作用，阴极、阳极的过程不起主要作用甚至可以忽略，这种电弧称为长弧。在开关中的电弧一般属于长弧。