制造有序晶圆级手性碳纳米管结构的新方法

手性材料以非常精确的方式与光相互作用，这对于构建更好的显示器、传感器和更强大的设备非常有用。然而，大规模可靠的手性等工程特性仍然是纳米技术中的重大挑战。

莱斯大学 Junichiro Kono 实验室的科学家开发了两种从非手性混合物开始制造晶圆级合成手性碳纳米管 (CNT) 组件的方法。根据《自然通讯》发表的一项研究，由此产生的“龙卷风”和“扭曲堆叠”薄膜可以将椭圆率(偏振光的一种特性)控制到以前基本上无法达到的水平和光谱范围。

莱斯大学应用物理学研究生、该论文的主要作者雅克·杜马尼 (Jacques Doumani) 表示：“这些方法使我们能够有意、持续地将手性引入到材料中，而迄今为止，这些材料尚未在宏观尺度上表现出这种特性。”学习。“我们的方法可产生具有可调手性特性的柔性薄膜。”

碳纳米管(由碳原子制成的中空圆柱形结构)具有卓越的电学、机械、热学和光学性能。单壁碳纳米管的直径大约比人类一根头发丝的直径小 100,000 倍。

问题在于，大多数制造大量碳纳米管的方法(这对于许多应用来说是必需的)通常会产生异质、无序的纳米管组件。这种随机结构会降低材料的整体性能。

制造足够数量的纳米管具有相同直径和方向的薄膜的能力可以推动从信息系统到医疗或能源应用等广泛领域的创新。

“在之前的研究中，我们表明，我们的真空过滤技术可以在大尺度上实现碳纳米管近乎完美的排列，”Karl F. Hasselmann 工程教授、电气和计算机工程以及材料科学和纳米工程教授、一位教授 Kono 说道。该论文的主要研究人员。“这项研究使我们能够通过引入手性将这项工作推向一个令人兴奋的新方向。”

运动可以给有序的碳纳米管排列带来手性扭曲的发现完全是偶然的。

“这确实是一个意想不到的转折，”杜马尼说，他讲述了与真空过滤系统放在同一张桌子上的摇晃的泵如何引起意外的振动，将排列好的碳纳米管层缠绕成龙卷风般的螺旋。

“这些振动对组装的碳纳米管的结构产生了深远的影响，促使我们进一步探索和完善这种新发现的现象，”他说。“这个偶然的发现让我们认识到，我们可以通过调整旋转角度和摇动条件来设计具有所需特性的碳纳米管结构。”

科诺将由此产生的碳纳米管组件的手性对称性比作“艺术品”。

科诺说：“我为雅克感到特别自豪，因为他发现我们可以将碳纳米管过滤和振动结合起来，以调整这些晶圆级薄膜的特性。”

实现手性的第二种方法是通过控制层数和扭转角度，以一定角度堆叠高度排列的碳纳米管薄膜。

“我们在深紫外范围内实现了一个非凡的里程碑，创造了椭圆率的新记录，”杜马尼说。“更重要的是，与这个领域的竞争对手相比，我们的技术设置起来非常简单。我们不需要复杂的系统来制作这些电影。”

这些技术可用于设计用于新型光电器件的材料，例如 LED、激光器、太阳能电池和光电探测器。这也是一种可能用于使用其他纳米材料(例如氮化硼纳米管和二硒化钨纳米管)制造晶圆级手性薄膜的装置。

“这一发现为各种应用带来了希望，”杜马尼说。“在制药和生物医学领域，它在生物传感、深海成像和识别有用化合物方面具有潜力。在通信领域，它可以增强导弹探测、保护通信通道并增强抗干扰能力。在量子计算工程中，它为更具确定性的光子发射器耦合。

“我们很高兴能够将这项技术扩展到其他类型的纳米材料。”