魚與熊掌都兼得 摻雜環境廢氣的碳奈米管薄膜

編譯／高晟鈞

來自Skoltech的科學家優化了採用二氧化氮（NO₂）的熱處理技術，在300^OC溫度下於單壁奈米碳管表面上透過溫度依賴性進行摻雜吸附，成功增加了過程的效率與穩定性，進而避免對奈米管的結構和光學透射率產生不利影響。

單壁奈米碳管

單壁奈米碳管（Single-walled carbon nanotubes, 簡稱SWCNTs）是一類可以大規模生產，具有優秀物理特性的一維石墨材料。奈米碳管輕薄、堅韌、透明且具有導電性的特性，有望取代石墨與石墨烯提升鋰電池的蓄電量，應用於太陽能電池與觸控螢幕等過去依賴易碎且壽命低的氧化銦錫薄膜，或是為柔性與可穿戴應用技術奠定轉型基礎。

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然而，由於單壁奈米碳管通常是金屬和半導體物質的混合物，因此奈米管網路的導電特性，容易受到管間界面處形成的蕭特基能障（Schottky barrier）的顯著影響。儘管科學家在此方面不停做出努力，但目前進展仍未達到預期的性能。

吸附性摻雜

吸附性摻雜是目前提高SWCNTs導電性能的主要技術，主要依賴奈米管電子密度對周圍介質的高敏感性與特定化合物的表面沉積，進而使費米能階偏移，降低管間接觸電阻（蕭特基能障），增加整體電荷載子密度。

其中一種常見的摻雜劑名為四氯金酸氫（HAuCl₄）是金溶於王水蒸發得到的產物。儘管在眾多摻雜物中展現了最佳的導電性能，且有相當好的透明度，但穩定性低，效果很快會消失。溴化銅和其他金屬鹵化物儘管提供了穩定性和導電性的良好組合，但透明度較差。這也顯示了如今用於碳奈米管的化學摻雜物都涉及類似魚與熊掌難以兼得的窘境。

魚與熊掌兼得

經過多年努力，研究團隊找到了一個一舉三得的方法，成功反轉環境廢氣「二氧化氮氣體」，在300度左右時得到了高度穩定的修飾與摻雜。此外，氣相劑的使用也使摻雜技術變得快速、擴展性高且不容易浪費。除了修飾的效果可以持續更長的時間，這種方法所製成的單壁奈米碳管導電性更是與四氯金酸氫旗鼓相當，透明度也極高，避免了先前魚與熊掌難以兼得的窘境。

該團隊希望盡早將摻雜二氧化氮的透明碳奈米管電極應用於光伏元件、觸控螢幕，或是其他互動式介面。此外，由於具有生物相容性，奈米碳管也可以在植入式設備中，諸如6G通訊、無X射線醫學成像和安全掃描中利用太赫茲輻射的變焦菲涅爾波帶片，都將受益於透過新型摻雜劑實現的碳奈米管薄膜的改進特性。

資料來源:Phys.org

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