中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：碳納米管因其一維的管狀分子結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)和光學(xué)等性質(zhì)，在微納光電子器件、生物醫(yī)藥、新能源材料等方面具有廣闊的應(yīng)用前景。碳納米管特殊的性質(zhì)來源于其結(jié)構(gòu)。原子結(jié)構(gòu)排列上的微小差異將導(dǎo)致碳納米管光電性質(zhì)的巨大區(qū)別。如：碳納米管由于結(jié)構(gòu)的不同可以是金屬性的，也可以是半導(dǎo)體性的；每一種手性碳納米管有一對(duì)左右螺旋對(duì)稱的鏡像體，表現(xiàn)出相反的旋光特性（被稱作旋光異構(gòu)體）等。宏量獲取單一結(jié)構(gòu)、均一性質(zhì)的碳納米管是研究其性質(zhì)，推動(dòng)其應(yīng)用的關(guān)鍵。現(xiàn)有的碳納米管生長(zhǎng)技術(shù)或生長(zhǎng)后處理技術(shù)均很難制備單一結(jié)構(gòu)的碳納米管，嚴(yán)重阻礙了碳納米管性質(zhì)和應(yīng)用研究。
中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（籌）先進(jìn)材料與結(jié)構(gòu)分析重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室特聘研究員劉華平與日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合研究所首席研究員Hiromichi Kataura教授，美國(guó)Rice大學(xué)教授Junichiro Kono，日本東京大學(xué)教授Shojiro Takeyama等分別合作，在單一手性碳納米管旋光異構(gòu)體分離和物性研究方面取得了幾項(xiàng)重要進(jìn)展：（1）劉華平與Hiromichi Kataura等發(fā)展了凝膠色譜技術(shù)，通過離子表面活性劑精確調(diào)控碳納米管與凝膠的作用力強(qiáng)度，利用多糖凝膠的手性結(jié)構(gòu)與碳納米管左右螺旋結(jié)構(gòu)作用力的差異，將分散的碳納米管溶液載入多段凝膠色譜柱，同時(shí)分離出了9種高純手性碳納米管及其左右螺旋鏡像體結(jié)構(gòu)（如圖1），真正實(shí)現(xiàn)了碳納米管單一結(jié)構(gòu)的宏量制備，解決了碳納米管性質(zhì)和應(yīng)用研究瓶頸。（2）在碳納米管結(jié)構(gòu)分離的基礎(chǔ)上，劉華平與Junichiro Kono等合作，利用超快激光對(duì)分離出的(6, 5)碳納米管進(jìn)行激發(fā)，探測(cè)并識(shí)別出了(6, 5)碳納米管的14個(gè)聲子振動(dòng)模式（如圖2），該成果有助于進(jìn)一步理解一維結(jié)構(gòu)中的聲子與電子的動(dòng)態(tài)關(guān)系和相互作用，為一維結(jié)構(gòu)中聲子的振動(dòng)建立更準(zhǔn)確的理論模型奠定了基礎(chǔ)。（3）劉華平與Shojiro Takeyama等合作，對(duì)分離出的單一手性碳納米管 (6, 4)和(6, 5) 進(jìn)行了系統(tǒng)的磁光性能研究。在超高強(qiáng)磁場(chǎng)中，通過對(duì)碳納米管光吸收譜的測(cè)量，直接觀察到了半導(dǎo)體碳納米管第二子能帶中的明暗激子能量的相對(duì)順序與碳納米管的結(jié)構(gòu)密切相關(guān)（如圖3）。該研究成果表明，通過碳納米管激子態(tài)的操控，有望實(shí)現(xiàn)碳納米管光學(xué)性能的控制。
該系列工作分別發(fā)表在Nano Lett. 14 (2014) 6237, Nano Lett. 14 (2014) 1426和Scientific reports4 (2014) 6999上。這些工作得到了中科院百人計(jì)劃和國(guó)家青年千人計(jì)劃項(xiàng)目的支持。
圖1. 分離出的單一手性碳納米管旋光異構(gòu)體的圓二色光譜表征
圖2. （6, 5）單一手性碳納米管相干聲子譜表征
圖3. （6, 4）（6, 5）碳納米管E11（左）和E22（右）子能帶中明暗激子能量與外加磁場(chǎng)之間關(guān)系
