Only Perception: 作用中的奈米化學

2009-03-09

作用中的奈米化學

Nanochemistry in Action
http://www.physorg.com/news155563699.html

By Lisa Zyga, March 6th, 2009

(PhysOrg.com) -- 把單壁奈米碳管（SWCNT）當成一根試管，科學家能探索奈米尺度下的化學作用，那涉及某些獨特的效應。奈米試管提供了一種受限的、一維的空間給那些孤立的分子，讓奈米尺度的侷限效應（confinement effects）能影響化學反應。

在最近一項研究中，一個來自於英國、澳洲、德國與日本的團隊，利用鈰（cerium）化合物完成奈米碳管的電子摻雜（electron doping），藉此進行了奈米試管化學作用的實驗。摻雜提供了一種有前途的、調整奈米管之大量電子特性的方法。除了幫助科學家理解奈米尺度的化學外，這些實驗也強調了在未來電子裝置中使用奈米管的潛力。

"我們使用奈米試管化學作用來功能化（functionalize）奈米碳管的電子特性，" 領導作者、（英國）Surrey 大學的 Hidetsugu Shiozawa 表示。"這使我們能在大量的奈米碳管中觀察一種基礎的物理現象，那關係到一種從半導體的管變成金屬的轉變。"

在他們的實驗中，研究者將奈米碳管材料與鈰的有機金屬化合物（譯註：CeCp3）密封在一根 Pyrex 試管中，並使它們在高達攝氏 2000 度的溫度中退火（annealed）。退火之後，研究者觀察到包含鈰分子的 SWCNTs。研究者在真空中於攝氏 1000 度下進一步退火，將滿載的 SWCNTs 轉變為包含鈽的雙壁奈米碳管（Ce@DWCNT）。TEM 顯示出鋒利的線，那是原本的奈米管，在那之中是平行線與黑色的點，那分別是內管以及鈰離子。

科學家接著從鈰化合物擷取電子資訊，以便研究這些結構的電子特性。透過使用一種稱為共振光電發射光譜學（resonance photoemission spectroscopy）的方法來測量發射電子的能量，研究者發現，在摻入鈰之後，奈米管束的傳導電子密度增加了，這是因為原本為半導體奈米管的傳輸，轉變為金屬奈米管了。

"當化學作用在這些奈米試管中完成，其所發生的反應更接近單一分子與另一個反應的結果 -- 而非數十億個分子間彼此反應，或著與我們放入實驗室試管中的其他任何東西反應，" Shiozawa 說。"奈米碳管這種一維的量子化電子態，讓特殊分子與化物能起交互作用，所以我們能透過奈米碳管的電子態，監測這種被密封的（encapsulated）化學反應。"

整個實驗證明，一種奈米尺度的、鈰化合物的化學反應如何能增加周遭奈米碳管的傳導性。在受控制的的情況下，利用奈米化學來改變奈米管的電子特性，研究者也許離使用奈米管的電子學應用更靠近一步了。

"我們的奈米試管化學作用允許一種乾淨的、緩慢的與明確的奈米碳管生長，" Shiozawa 說。"當材料受限在奈米試管中，個別的化學事件能在元素的程度上觀察。這種奈米化學過程可應用到研究奈米碳管的生長機制。其概念上的領先將適於任何一般化學反應。我們證明以奈米碳管為主的摻雜藉由透過封裝與分子的化學反應而能有種種變化。在奈米尺度下調整 SWCNT 的電子特性也許能應用這種程序，而且讓奈米碳管對電子裝置有更好的相容性。"

Ravi Silva 教授，Advanced Technology Institute 主任，表示，他們的研究結果告訴研究者與技術人員，在研究次世代的奈米電子裝置時有一些基本的議題需要納入他們的設計考量。而他們的研究也證明單一原子黏附在奈米碳管的表面，就能對其電子特性造成巨大的影響。而此問題對於未來的奈米晶片將有很廣泛的牽連。

這項研究發表在最近一期的 Physical Review Letters 上，並由英國EPSRC 的 Portfolio Partnership award 所贊助。

※ 相關報導：

＊ Screening the Missing Electron: Nanochemistry in Action
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.102.046804

H. Shiozawa, T. Pichler, C. Kramberger, M. Rummeli,
D. Batchelor, Z. Liu, K. Suenaga, H. Kataura, and
S. R. P. Silva
Phys. Rev. Lett. 102, 046804 (2009) [4 pages]
doi: 10.1103/PhysRevLett.102.046804