中文摘要：

针对金属性单壁碳纳米管的选择性制备这一难题，本申请提出以Fe/Pt二元金属为催化剂，通过氮掺杂控制生长金属性单壁碳纳米管阵列。利用氮与碳相近的原子半径及比碳多出的一个价电子，实现氮直接取代碳网格中的碳，使半导体性单壁碳纳米管转变为金属性。采用离子束辅助沉积法在硅基片表面均匀沉积Fe/Pt催化剂膜；通过调控二元金属催化剂粒子的比例、催化剂膜厚度、碳/氮源的种类和浓度，探索适宜的热力学和动力学条件，制备氮掺杂方式可控、掺杂量高的单壁碳纳米管垂直阵列；研究氮掺杂方式和掺杂量与单壁碳纳米管导电属性的关系，阐释氮掺杂对单壁碳纳米管导电属性的影响机制；明确氮掺杂单壁碳纳米管导电属性转变的关键参数。本项目旨在探索氮掺杂单壁碳纳米管阵列制备和表征中的关键科学问题，建立并发展金属性单壁碳纳米管阵列的控制制备方法，为单壁碳纳米管在微纳电子、光电器件等方面的应用奠定基础。

结论摘要：

单壁碳纳米管（SWCNT）因直径和螺旋角不同可表现为金属性（m-）或半导体性（s-）。其中，m-SWCNT具有导电性好的特点，因而是构建柔性透明导电薄膜和透明电极的理想材料，可望在新型柔性电子器件中获得应用。但通常制备得到的单壁碳纳米管样品是金属性和半导体性碳纳米管的混合物（m-SWCNT仅占~1/3），为构建性能优异且均一性好的透明导电薄膜及透明电极等器件，亟需实现高纯度m-SWCNT的控制制备。由于m-SWCNT本身含量低（仅占~1/3）、反应活性高，因而m-SWCNT的控制制备难度更大，国内外鲜有相关报道。在国家自然科学基金（青年基金）项目支持下，基于掺杂对其导电属性及直径相关的反应活性关系，开展了氮掺杂单壁碳纳米管的控制制备、导电属性调控、作用机制等工作，取得的主要结果如下（1）氮掺杂单壁碳纳米管阵列的制备以Fe/Pt 二元金属为催化剂，以乙腈为碳/氮源，控制制备了氮掺杂、单壁碳纳米管阵列。同时，以三聚氰胺为氮源，利用化学气相沉积法生长了氮掺杂、小直径、定向单壁碳纳米管。经过优化后，在最佳生长条件下，单壁碳纳米管的比例可高达90%，氮掺杂量最高为1%，其掺杂形式主要为吡啶型，少量的为直接取代型。（2）氮在石墨网格上的微量取代掺杂制备金属性行为、高结构完整性SWCNTs；以三聚氰胺为氮源，实现了氮原子在SWCNTs石墨网格上的微量直接取代掺杂，获得了高质量、金属性行为的氮掺杂SWCNTs。实验研究证实可以通过氮掺杂在不改变SWCNT结晶性的同时来调控其电子结构。（3）调控氮与催化剂作用进而择优生长m-SWCNTs；利用离子束辅助沉积法在硅基片上沉积SiOx催化剂薄膜，对比研究了乙二胺、乙醇分别为碳/氮源、碳源，对单壁碳纳米管导电属性的影响。发现“N”作用于SiOx催化剂可使SWCNT由切向生长转变为垂直生长，且具有抑制s-SWCNT成核生长的作用。（4）“直径调控-原位刻蚀-浮动催化”直接宏量生长m-SWCNTs；通过调控催化剂结构及优化生长条件，实现了大直径m-SWCNT和小直径s-SWCNT的生长，再利用其直径依赖的反应活性差异进行原位氢气刻蚀，最终获得大直径、金属性碳管含量为88%的SWCNT样品。发展了干法转移技术，获得了大面积、柔性、高性能的透明导电薄膜。