超長碳納米管具有優(yōu)異的導電導熱能力、高強度、高柔性、高韌性、超耐疲勞性能、輕量化、超細的直徑和巨大的長徑比等性能，從而使其在制備各類傳感與探測器件方面展示出獨特的優(yōu)勢。然而，為實現(xiàn)超長碳納米管在高端傳感器件中的廣泛應用，一方面需要解決其批量制備的難題，另一方面則需要發(fā)展有效的器件設計策略，使超長碳納米管的本征性能得以充分發(fā)揮。
 

　　針對超長碳納米管的傳統(tǒng)生長方法中產率過低的問題，清華大學化工系張如范課題組開發(fā)了一種基底攔截導向策略，克服了傳統(tǒng)生長方法中催化劑利用率低、催化劑顆粒易聚等難題，使超長碳納米管的陣列密度和產率提升了2–3個數量級。為進一步提升超長碳納米管水平陣列的產率和均勻性，張如范課題組還提出了浮游雙金屬催化劑的原位氣相合成方法，顯著延長了催化劑的壽命，并實現(xiàn)了30厘米級碳納米管水平陣列的大面積均勻制備。
 

　　在器件開發(fā)方面，張如范課題組實現(xiàn)了基于懸空超長碳納米管網絡的超靈敏氣流傳感器的制備，利用超長碳納米管輕質、超柔的特性實現(xiàn)了高靈敏度、超快響應和低檢出限等優(yōu)異的氣流傳感性能，證明了高密度超長碳納米管在傳感器領域的重大應用潛力。在此基礎上，張如范課題組進一步開發(fā)了基于懸空碳納米管交叉網絡的氣流傳感器，憑借獨特的交叉網絡結構實現(xiàn)了氣速檢測范圍的顯著拓寬，并使器件實用性大大提升。
 

　　面向遙感、自動化、醫(yī)學成像、光通訊、安保等領域對于高性能光電探測器的日益增長的需求，張如范課題組近日提出了一種基于懸空超長碳納米管的高性能光電探測器。碳納米管因其寬譜吸收、超快激發(fā)、可調帶隙、高遷移率等特性，是一種構建高性能光電探測器的理想材料。相比于傳統(tǒng)的光電探測材料(如Si、GaAs、InAs等)，碳納米管在探測范圍和響應速率方面具有顯著優(yōu)勢，并且在室溫條件下即可實現(xiàn)傳感功能。然而，之前報道的碳納米管光電探測器因電-聲相互作用、光熱效應、結構缺陷等因素，未能發(fā)揮出碳納米管本征的光電性能。因此，張如范課題組創(chuàng)新性地提出利用懸空結構避免基底聲子散射的不利影響的思路，并利用懸空超長碳納米管與空氣界面上的超高傳熱系數和比表面積削弱光熱效應，同時優(yōu)化超長碳納米管的面密度，以實現(xiàn)光電探測性能的全面提升。
 

　　張如范課題組利用之前開發(fā)的基底攔截導向策略，在帶有圓形孔洞的基底上成功生長出了陣列密度可調的懸空超長碳納米管，隨后在其兩側沉積金屬電極，即可構筑成基于懸空超長碳納米管的光電導探測器(圖1)。懸空超長碳納米管呈現(xiàn)出宏觀長度、完美結構以及高取向度，可以充分實現(xiàn)兩端電極之間的隧穿，并且其中納米級直徑的管束也能實現(xiàn)優(yōu)異的散熱性能，與器件的概念設計高度一致。
 

圖1.基于超長碳納米管懸空網絡的光電探測器的制備和表征
 

　　超長碳納米管光電探測器的性能評價結果顯示，在相同的激光波長和功率密度下，懸空超長碳納米管光電探測器能夠產生近8倍于非懸空超長碳納米管的光電導響應。同時，懸空超長碳納米管的光電導響應更不易飽和，且具有更高的靈敏度。不同開關頻率下的時域響應信號和響應速率測試也顯示出懸空超長碳納米管極快的響應速率，電流上升與下降時間在0.13–0.18ms的范圍內，優(yōu)于多數碳材料光電探測器。該研究還通過多次循環(huán)生長得到不同面密度的懸空超長碳納米管樣品，并從相對電流變化、響應度、探測率三個方面分析了面密度對于懸空碳納米管光電探測性能的影響(圖2)。測試結果顯示，高密度的樣品可有效增加吸收截面積和提高激光能量利用率，在響應度和探測率兩方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(分別可達10–1AW–1和109cmHz1/2W–1量級)。
 

圖2.不同密度的超長碳納米管懸空網絡光電探測器的性能評價
 

　　研究還發(fā)現(xiàn)，懸空超長碳納米管由于其較窄的帶隙和高效的帶間躍遷激發(fā)，因而可以對寬波段范圍內的入射光產生均勻的響應。懸空超長碳納米管光電探測器在405nm、532nm、650nm、785nm和850nm入射光下得到了較為均勻的響應行為(圖3)，最高響應度可達0.181AW–1，最高探測率可達1.20×109cmHz1/2W–1。最后，與純碳基光電探測器和摻雜的碳基光電探測器相比，懸空超長碳納米管在響應度、探測率和響應時間等方面均表現(xiàn)出綜合的優(yōu)勢。
 

圖3.超長碳納米管懸空網絡光電探測器的寬譜響應行為和綜合性能對比
 

　　相關成果以“基于懸空超長碳納米管的高性能光電探測器”(High-Performance Photodetectors Based on Suspended Ultralong Carbon Nanotubes)為題，于8月26日發(fā)表于《美國化學會·納米》(ACS Nano)。
 

　　清華大學化工系2024屆博士畢業(yè)生姜沁源為論文的第一作者，化工系副教授張如范為論文的通訊作者，其他合作者包括化工系2023級博士后王康康、2021級博士生汪菲、2023級碩士生劉愷軒、2020級博士生李潤、2022級博士生趙彥龍、2023級碩士生習艾可和化工系科研助理臧永路。研究得到國家自然科學基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。