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中科院物理所发现硼、氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导体
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近日，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室许智、王文龙、白雪冬、王恩哥等人提出了一种新的方法，在生长单壁碳纳米管过程中，原位进行硼(B)、氮(N)共掺杂，实验和理论研究发现，硼、氮共掺杂使金属性碳纳米管转变为半导体。 自1991年碳纳米管被发现以来，引起了科学家广泛的研究兴趣。但是纳米管电学性质的不可控问题依然是悬而未决的难题，这是由于在制备的样品中约2/3的纳米管为半导体性，约1/3的纳米管为金属性，两者共存大大限制了碳纳米管在纳米电子器件中的进一步应用。近年来在这方面的研究探索取得了一定的进展，如何分开半导体性与金属性的碳纳米管一般有两种途径：1) 原位刻蚀金属性纳米管； 2) 后期的化学或物理方法进行筛选。前一种方法容易引入结构缺陷，而后一种方法在样品的纯度上还需要大大提高。 该研究组利用改进的等离子辅助热丝化学气相沉积(CVD)生长技术，实现了单壁碳纳米管的B、N共掺杂——即三元共价BCN化合物纳米管[J. Am. Chem. Soc. 128, 6530(2006)]。继这项研究成果后，他们最近用这种B、N共掺杂纳米管构筑了大量的场效应晶体管，对其电学性质进行了统计性分析研究。结果表明，通过对单壁碳纳米管的B、N共掺杂，样品中半导体性纳米管的比例由67%大大提升到高于97%。为了深入理解这一重要实验发现，他们利用第一性原理，计算了掺杂对单壁碳纳米管能带结构的调制作用。结果证明，B、N共掺杂可以使金属性的单壁碳纳米管的能隙被打开，使其转变为半导体性的纳米管，而B、N共掺杂并不改变半导体性碳纳米管的导电属性，从而在理论上解释了B、N共掺杂调节碳纳米管能带结构的物理机制。B、N共掺杂是解决半导体性和金属性纳米管不可分问题的一条有效的新途径。 相关研究结果发表在近期的Advanced Materials 20, 3615 (2008)上。Asia Materials 对该成果以标题“Doping carbon nanotubes” 作为研究亮点进行了报道。 |
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