碳纳米管晶体碱金属掺杂及可能的超导特性研究

理想碳纳米管晶体是由直径、手性全同的纳米管组成的二维三角晶格。由于实验上无法控制管的手性，碳管晶体的研究仅限于理论工作。最近我们通过实验发现直径分布较小的单壁碳纳米管通过范德瓦尔斯力结合在一起后，也会形成衍射峰较宽的二维晶格。C60晶体碱金属掺杂后出现超导转变，同样的情形能否在碳纳米管晶体中再次发生呢？本申请项目针对此问题旨在开展下列研究：(1)优化单壁碳纳米管浮动化学气相沉积法的生长参数以及净化处理的方法和工艺，减小碳纳米管直径分布以及催化剂的残余量。（2）研究如何配置一系列金刚石拉丝模，来制备高质量的碳纳米管晶体。其中包括：单个金刚石拉丝模收缩比以及前后拉丝模口径配置对碳纳米管晶体密度及质量的影响。(3)开展碳纳米管晶体性质及掺杂后性质（主要是碱金属）的研究。（4）开展碳纳米管的电学性质，尤其是掺杂后低温下可能的超导研究。（5）对结果开展必要的模型分析及初步的理论计算研究。

在本研究项目执行过程中，主要围绕：单壁碳管的选择性刻蚀、碳管晶体制备及性质研究、碳管晶体碱金属的掺杂后性质的变化及特性开展研究工作。结果表现在三个方面：.1. 碳管选择性刻蚀：完善和发展了高温下金属在一定气氛中对碳管的选择性刻蚀方法和条件。系统的开展了铁、钴、镍、铜对单壁碳管的选择性刻蚀。.发现铁等纳米颗粒可沿碳纳米管定向移动。通过控制颗粒大小以及气氛中氢气的含量，直径小于1.2纳米的单壁碳管可以被选择性刻蚀掉。通过对比及控制实验我们提出了铁纳米颗粒刻蚀小直径碳管的机理是催化剂作用下碳的氢化。.单壁碳管可以刻蚀成为石墨烯纳米带。拉曼光谱发现，与碳管的G出现劈裂不同，石墨烯纳米带G峰是单一的对称峰型。同时，2D峰呈现红移，半高宽变小且强度明显高于G峰。同时，在悬空的石墨烯纳米带中从实验上观测到了其类呼吸膜。.通过控制镍（钴）金属纳米颗粒的尺寸及刻蚀条件，可将碳管沿轴向部分解开而形成的碳管－石墨烯纳米带异质结。AFM结果表明，在纳米颗粒的一边其高度为2纳米左右，同时另一边高度为0.5纳米左右，证明金属纳米颗粒已经成功将碳管部分解开而形成有趣的碳管－石墨烯纳米带异质结。同时对异质结的微区拉曼研究。.2. 碳管晶体的特性研究：对碳管晶体的热学性质进行了测量，发现在1.9到100.0 K的温度范围内，晶体的热导率与温度呈线性关系。 在100.0 K，热导率出现一个极大值（约658 W/m•K）。在100.0 K 到 300.0 K温度范围内，热导率逐渐降低并呈现为一个基本不变的常数值480 W/m•K。同时，研究了碳管晶体的比热，发现其在测量的温度范围内，呈现奇特的线性关系。.3.碳管晶体碱金属的掺杂及其性质的变化及特性：.钠掺杂：采用了三种方法进行掺杂研究：在真空中首先对碳管膜进行掺杂，然后进行拉丝模处理；在真空中对碳管晶体热蒸镀掺杂且原位测量管晶体的导电特性；在真空中将碳管晶体与金属钠放入油浴中进行长时间处理。.掺杂后特性：钠掺杂后，拉曼特征出现了明显变化：碳管的G＋与G－发生了不同程度的红移，G－峰的移动远远大于G＋。原位的电性能测试表明掺杂过程中碳管的导电性发生的变化与钠的掺入及温度的变化有关，当样品温度降到室温后，其导电性增加接近一个数量级。掺杂后的碳管晶体在0.3K温度前没有观测到超导性。