超长碳纳米管具有优异的导电导热能力、高强度、高柔性、高韧性、超耐疲劳性能、轻量化、超细的直径和巨大的长径比等性能，从而使其在制备各类传感与探测器件方面展示出独特的优势。然而，为实现超长碳纳米管在高端传感器件中的广泛应用，一方面需要解决其批量制备的难题，另一方面则需要发展有效的器件设计策略，使超长碳纳米管的本征性能得以充分发挥。
针对超长碳纳米管的传统生长方法中产率过低的问题，清华大学化工系张如范课题组开发了一种基底拦截导向策略，克服了传统生长方法中催化剂利用率低、催化剂颗粒易聚等难题，使超长碳纳米管的阵列密度和产率提升了2–3个数量级。为进一步提升超长碳纳米管水平阵列的产率和均匀性，张如范课题组还提出了浮游双金属催化剂的原位气相合成方法，显著延长了催化剂的寿命，并实现了30厘米级碳纳米管水平阵列的大面积均匀制备。
在器件开发方面，张如范课题组实现了基于悬空超长碳纳米管网络的超灵敏气流传感器的制备，利用超长碳纳米管轻质、超柔的特性实现了高灵敏度、超快响应和低检出限等优异的气流传感性能，证明了高密度超长碳纳米管在传感器领域的重大应用潜力。在此基础上，张如范课题组进一步开发了基于悬空碳纳米管交叉网络的气流传感器，凭借独特的交叉网络结构实现了气速检测范围的显著拓宽，并使器件实用性大大提升。
面向遥感、自动化、医学成像、光通讯、安保等领域对于高性能
光电探测器的日益增长的需求，张如范课题组近日提出了一种基于悬空超长碳纳米管的高性能光电探测器。碳纳米管因其宽谱吸收、超快激发、可调带隙、高迁移率等特性，是一种构建高性能光电探测器的理想材料。相比于传统的光电探测材料(如Si、GaAs、InAs等)，碳纳米管在探测范围和响应速率方面具有显著优势，并且在室温条件下即可实现传感功能。然而，之前报道的碳纳米管光电探测器因电-声相互作用、光热效应、结构缺陷等因素，未能发挥出碳纳米管本征的光电性能。因此，张如范课题组创新性地提出利用悬空结构避免基底声子散射的不利影响的思路，并利用悬空超长碳纳米管与空气界面上的超高传热系数和比表面积削弱光热效应，同时优化超长碳纳米管的面密度，以实现光电探测性能的全面提升。
张如范课题组利用之前开发的基底拦截导向策略，在带有圆形孔洞的基底上成功生长出了阵列密度可调的悬空超长碳纳米管，随后在其两侧沉积金属电极，即可构筑成基于悬空超长碳纳米管的光电导探测器(图1)。悬空超长碳纳米管呈现出宏观长度、完美结构以及高取向度，可以充分实现两端电极之间的隧穿，并且其中纳米级直径的管束也能实现优异的散热性能，与器件的概念设计高度一致。
图1.基于超长碳纳米管悬空网络的光电探测器的制备和表征
超长碳纳米管光电探测器的性能评价结果显示，在相同的激光波长和功率密度下，悬空超长碳纳米管光电探测器能够产生近8倍于非悬空超长碳纳米管的光电导响应。同时，悬空超长碳纳米管的光电导响应更不易饱和，且具有更高的灵敏度。不同开关频率下的时域响应信号和响应速率测试也显示出悬空超长碳纳米管极快的响应速率，电流上升与下降时间在0.13–0.18ms的范围内，优于多数碳材料光电探测器。该研究还通过多次循环生长得到不同面密度的悬空超长碳纳米管样品，并从相对电流变化、响应度、探测率三个方面分析了面密度对于悬空碳纳米管光电探测性能的影响(图2)。测试结果显示，高密度的样品可有效增加吸收截面积和提高激光能量利用率，在响应度和探测率两方面表现出显著的优势(分别可达10–1AW–1和109cmHz1/2W–1量级)。
图2.不同密度的超长碳纳米管悬空网络光电探测器的性能评价
研究还发现，悬空超长碳纳米管由于其较窄的带隙和高效的带间跃迁激发，因而可以对宽波段范围内的入射光产生均匀的响应。悬空超长碳纳米管光电探测器在405nm、532nm、650nm、785nm和850nm入射光下得到了较为均匀的响应行为(图3)，最高响应度可达0.181AW–1，最高探测率可达1.20×109cmHz1/2W–1。最后，与纯碳基光电探测器和掺杂的碳基光电探测器相比，悬空超长碳纳米管在响应度、探测率和响应时间等方面均表现出综合的优势。
图3.超长碳纳米管悬空网络光电探测器的宽谱响应行为和综合性能对比
相关成果以“基于悬空超长碳纳米管的高性能光电探测器”(High-Performance Photodetectors Based on Suspended Ultralong Carbon Nanotubes)为题，于8月26日发表于《美国化学会·纳米》(ACS Nano)。
清华大学化工系2024届博士毕业生姜沁源为论文的第一作者，化工系副教授张如范为论文的通讯作者，其他合作者包括化工系2023级博士后王康康、2021级博士生汪菲、2023级硕士生刘恺轩、2020级博士生李润、2022级博士生赵彦龙、2023级硕士生习艾可和化工系科研助理臧永路。研究得到国家自然科学基金和国家重点研发计划的支持。
