物理与材料科学学院

袁清红:首次揭示Zigzag型碳纳米管生长机制

选为《德国应用化学》封底文章
发布日期: 2015-04-09   作者:  浏览次数: 50

  国际著名化学期刊《Angewandte Chemie InternationalEdition》(《德国应用化学》,SCI影响因子11.336)  第54期发表我校物理学系副教授袁清红论文“How a Zigzag Carbon Nanotube  Grows”,并将该文选为封底文章。论文首次从理论上揭示了被称之为Zigzag碳纳米管的生长机制,解释了实验上一直难以获得Zigzag碳纳米管的根本原因,提出通过催化剂选择和改善实验条件获得Zigzag碳纳米管的实验手段。


Zigzag单壁碳纳米管(绿色碳管)的生长速度比其它手性碳纳米管(黄色碳管)慢,产率较低。


Zigzag单壁碳纳米管的微观生长机制:

每一圈碳原子的加入都需要经历一个一维成核过程


  碳纳米管的电学性能与其几何结构密切相关,实现碳纳米管的结构可控制备是推动碳纳米管电子学的重要前提之一。目前实验上最常见的用来合成碳纳米管的方法是化学气相沉积(CVD)法。然而,大量实验研究发现用该方法所获得的碳纳米管大部分为螺旋角度较大的碳纳米管,螺旋角度为零的Zigzag碳纳米管极少能被获得。长久以来,这一问题一直困扰实验科学家。

  针对这一实验现象,袁清红与香港理工大学的丁峰教授合作,对Zigzag碳纳米管的生长机制进行深入研究,发现其结构与其它手性碳纳米管的根本不同之处在于,其生长的开口端是由完全封闭的圆形碳链组成的,这导致Zigzag碳纳米管的生长必须经历一维成核过程。

  袁清红与其合作者通过理论计算证明这一成核过程须克服一个很高的势垒,因此极大地降低了Zigzag碳纳米管的生长速度,导致Zigzag碳纳米管在实验上很难被获得和发现。此外,这一理论结果还发现,可通过选择活性高的金属催化剂(如Fe)以及较高的实验温度来获得更高产量的Zigzag碳纳米管并且Zigzag碳纳米管的生长速率正比于其直径。这些理论预言还有待实验科学家的进一步验证。

袁清红在物理学系高性能计算机房

  袁清红近年来对碳纳米管和石墨烯的CVD生长机制进行了深入的研究。前期工作包括第一作者论文Phys. Rev. Lett.两篇,J. Am. Chem.  Soc.两篇,这次发表的论文是对前期研究工作的拓展和完善,也是她在华东师大入职后独立发表的首篇顶级杂志论文。此外,袁清红与香港理工大学丁峰教授课题组及国内外实验工作者保持着良好的合作关系,合作发表的顶级杂志论文包括Nat.  Commun.,ACS Nano, Adv. Mater.。