本文展示了辛辛那提大學(xué)化學(xué)系A(chǔ)lvarez教授實驗室的研究成果，該研究在金屬/開口碳納米管（CNTs）界面間創(chuàng)建了Cu與C之間的共價鍵。垂直排列的碳納米管通過化學(xué)鍵錨定在銅金屬基底上，形成了堅固的連接。理論計算表明，每個連接分子上的C原子與（0）和（0）基底上的兩個相鄰Cu原子形成橋式共價鍵，而在（）基底上形成較弱的線性鍵。實驗驗證涉及將連接在銅上的CNTs浸入溶液中并進(jìn)行超聲處理，以展示鍵合的穩(wěn)固性。
電子設(shè)備在我們的日常生活中扮演著重要角色，開發(fā)更小、更快的電子設(shè)備對人類文明的進(jìn)步至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料在電子設(shè)備的微型化方面已達(dá)到操作極限。由于具有出色的物理和化學(xué)性質(zhì)，碳納米管被視為現(xiàn)有金屬導(dǎo)體和硅基半導(dǎo)體的潛在替代品，用于未來電子產(chǎn)品的開發(fā)。盡管如此，碳納米管在商業(yè)應(yīng)用中的廣泛應(yīng)用仍面臨諸多挑戰(zhàn)，其中之一是如何將碳納米管牢固地連接到金屬上，以用于熱和電導(dǎo)應(yīng)用。
圖1 開口碳納米管與晶體銅金屬表面共價鍵形成的示意圖。氮（藍(lán)色）、碳（綠色）、氫（白色）、氧（紅色）和銅（橙色）。
圖2 氨基苯基在銅金屬表面附著的最優(yōu)化幾何構(gòu)型。能量值以最穩(wěn)定構(gòu)型為基準(zhǔn)（0 eV）。氮（藍(lán)色）、碳（綠色）、氫（白色）和銅（橙色）。
圖3 沿含Cu-C化學(xué)鍵相位的二維電子局域化函數(shù)(ELF)圖：(A)Cu(100)、(B)Cu(110)和(C)Cu(111)晶面；(D)Cu(100)、(E)Cu(110)和(F)Cu(111)晶面上氨基苯基的ELF等值面(h = 0.8 eÅ?³)。氮（藍(lán)色）、碳（綠色）、氫（白色）和銅（橙色）。
圖4 氨基苯基通過橋接或頂端配位方式在不同銅晶面（100/110/111）上連接碳納米管的相對能量分布。能量值以最穩(wěn)定構(gòu)型為基準(zhǔn)（0 eV）。氮（藍(lán)色）、碳（綠色）、氫（白色）和銅（橙色）。
圖5 (A)用于I-V曲線計算的納米金電極連接氨基苯基模型（有/無對比）。納米金電極在計算中作為電子源極和漏極。氮（藍(lán)色）、碳（綠色）、氫（白色）、銅（橙色）和金（黃色）。(B)I-V曲線、(C)電導(dǎo)及(D)電阻對比（紅色曲線：含氨基苯基模型；藍(lán)色曲線：無氨基苯基模型）。
圖6 銅表面功能化及后續(xù)羧基修飾碳納米管尖端連接的機理示意圖。氮（藍(lán)色）、碳（綠色）、氫（白色）、氧（紅色）和銅（橙色）。
圖7 (A)裸銅（藍(lán)色）與氨基苯基接枝銅表面（反應(yīng)時間5秒，粉色）的XPS全譜掃描。插圖為N元素特征峰的放大顯示。(B)紅外光譜：(a)裸銅表面，(b)氨基苯基接枝銅表面（反應(yīng)時間5分鐘），(c)固態(tài)對苯二胺參比樣。
圖8 共價鍵合銅金屬表面的垂直取向碳納米管（VA-CNTs）在超聲處理前后的SEM圖像：(A)附著于銅基底的碳納米管陣列側(cè)視圖；(B)銅基底上開口VA-CNTs的高倍率圖像；(C)超聲處理后VA-CNT陣列的低倍率俯視圖；(D)超聲處理后VA-CNT陣列的高倍率俯視圖。
理論計算和實驗結(jié)果支持并驗證了Cu金屬原子與氨基苯基功能團(tuán)中碳原子之間的共價鍵形成。SEM成像表明CNTs與Cu表面相連，且超聲實驗驗證了CNTs與Cu之間鍵合的強度。這是首次在開口CNTs與金屬表面之間形成共價鍵，具有模擬金屬與有機納米管之間分子內(nèi)型電子傳輸?shù)臐摿Α?br />
本文的創(chuàng)新點主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
首次實現(xiàn)碳納米管與金屬的共價鍵連接：研究首次在開口碳納米管(CNTs)與銅金屬表面之間建立了C-Cu共價鍵，突破了傳統(tǒng)物理吸附或范德華力連接的局限。
創(chuàng)新的鍵合機制設(shè)計：通過氨基苯基連接劑作為橋梁，在Cu表面形成有機層，再與CNT開口端的羧基功能團(tuán)形成酰胺鍵，實現(xiàn)了分子級別的精確鍵合。
理論計算與實驗驗證相結(jié)合：采用DFT計算預(yù)測鍵合性質(zhì)，并通過XPS、IR、SEM等多種表征手段驗證了鍵合效果，形成完整的研究閉環(huán)。
界面電阻性能研究：首次系統(tǒng)測量了CNT-Cu共價鍵合界面的電阻特性，為電子傳輸應(yīng)用提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
超聲穩(wěn)定性驗證：通過超聲處理實驗證明了鍵合的機械穩(wěn)定性，這在電子器件應(yīng)用中具有重要意義。
這些創(chuàng)新為開發(fā)基于碳納米管的新型電子器件和互連技術(shù)提供了重要基礎(chǔ)，特別是在納米電子學(xué)、熱管理和傳感器等領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
DOI: 10.1039/d3na00500crsc.li/nanoscale-advances
轉(zhuǎn)自《石墨烯研究》公眾號
