证明了图形化碳纳米管的原子渗透性提升

可广泛应用于下一代气体传感器/能源器件

为成为纳米结构体制造和碳纳米管加工技术的领先国家奠定基础

高丽大学世宗校区(副校长金荣)的安俊成(音)教授（电子机械融合工程学科）与KAIST机械工程学科的朴仁圭(音)教授、金山河(音)教授以及韩国机械研究院的郑俊浩博士通过共同研究，开发了‘提高碳纳米管原子渗透性（atomic permeability）的高精度纳米图形化技术’，并于7日宣布。这项技术可广泛应用于下一代气体传感器和能源器件，并预计为成为‘纳米结构体制造及碳纳米管加工技术’的领先国家奠定基础。

 

△从左到右依次为：高丽大学世宗校区安俊成(音)教授，KAIST博士研究生河志焕(音)、杨仁英(音)，朴仁圭(音)教授，金山河(音)教授，韩国机械研究院郑俊浩(音)负责研究员

碳纳米管（carbon nanotube；CNT）是由碳原子以六边形环状结构连接形成的，直径为1纳米（即1米的十亿分之一），呈现出长管状形态。这些碳纳米管具有极好的电导性和热导性，且强度高于钢铁，因此被广泛应用于半导体、传感器、化学和军工业等多个领域。然而，由于其有限的机械弹性和化学反应性，在实际使用中需要在表面涂覆金属/陶瓷材料以补充其缺点。因此，开发能够在碳纳米管表面以原子级别涂覆功能性材料的技术变得至关重要。

为了实现高性能的半导体、传感器和能源器件，必须在垂直生长的碳纳米管表面涂覆功能性物质。然而，合成的碳纳米管具有较高的凝聚力，导致原子渗透性差，无法在其内部均匀涂覆功能性物质。全球范围内，已有多种策略技术，如碳纳米管微图案化等，致力于克服这一问题，但实现具有高原子渗透性的碳纳米管以便进行均匀涂覆仍然存在不足。

为了解决这一问题，联合研究团队开发了一种结合了纳米压印工艺的工艺，能够将精确制作的金属或金属氧化物纳米结构转移到碳纳米管表面。通过这一方法，研究团队成功地沿着各种形状的纳米图案实现了碳纳米管的生长，从而通过改善原子渗透性提高了功能性物质涂覆的质量。举例来说，通过原子层沉积法对陶瓷原子进行涂覆的纳米图案化碳纳米管，改善了由于碳纳米管高凝聚力导致陶瓷原子沉积不均匀的问题，最终在纳米图案化碳纳米管的从顶部到底部的整个范围内实现了纳米级均匀的陶瓷涂覆效果。

△纳米图案化碳纳米管的原子渗透性改善策略及应用

如上所述，陶瓷涂层质量的改善能够提高碳纳米管的机械恢复特性，因此这是实现半导体、传感器、能源器件重复使用和工业应用时必须先行的步骤。此外，电子束沉积法等物理沉积方法，由于纳米图案带来的原子渗透性增强，与没有图案的碳纳米管仅在顶部沉积金属相比，纳米图案化碳纳米管能够使金属沉积到内部。这种金属沉积质量的提升，能够为如气体传感器等应用提供催化作用，从而使传感器更加敏感，反应性更佳。

指导此次研究的高丽大学世宗校区安俊成(音)教授表示：“开发的垂直排列碳纳米管的纳米图案化工艺有望解决碳纳米管功能性涂层应用中的一个关键问题——低原子渗透性，未来有可能推动碳纳米管在机械化学应用等领域的广泛工业应用。”并进一步解释道：“这将为成为在纳米技术领域如纳米材料结构化和功能化等方面的全球领先国家奠定基础。”

△用于制作纳米图案化碳纳米管的工艺策略

此次研究由高丽大学世宗校区安俊成(音)教授和KAIST机械工程学科的河志焕(音)博士研究生、杨仁英(音)博士研究生共同参与，并作为共同第一作者，研究成果已于2024年5月在线版的著名国际学术期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials，影响因子19，JCR 4.2%）上发表。（论文题目：Nanotransfer Printing for Synthesis of Vertically Aligned Carbon Nanotubes with Enhanced Atomic Penetration）

此外，本研究得到了科学技术信息通信部、产业通商资源部、韩国科学技术院的资助，并通过韩国研究基金会中坚研究者支持项目、产业技术炼金术项目和跃升研究项目的支持开展。

高丽大学世宗校区宣传集资部

翻译：崔耶恩