碳納米管自上世紀(jì)90年代初發(fā)現(xiàn)以來，已經(jīng)引起了研究者極大興趣。碳納米管具有金屬性或者半導(dǎo)體性取決于它的手性指數(shù)，但是手性指數(shù)即電子能帶結(jié)構(gòu)不可控一直是一個難題。由于半導(dǎo)體性與金屬性納米管混存且難以分離，造成了碳納米管納電子學(xué)應(yīng)用的瓶頸。三元B-C-N納米管可被看作是碳納米管晶格中的部分C原子被B、N原子取代摻雜后的產(chǎn)物。石墨相B-C-N三元化合物是介于石墨（半金屬）與六方氮化硼（h-BN，絕緣體）之間的半導(dǎo)體，能隙隨成分變化可連續(xù)可調(diào)；相應(yīng)地，三元B-C-N納米管也呈現(xiàn)出半導(dǎo)體性，其電子能帶結(jié)構(gòu)主要取決于納米管的成分，而與手性指數(shù)無關(guān)。由于電學(xué)性質(zhì)具有較好的可控性與較大的可調(diào)性，B-C-N納米管有望在納電子學(xué)與光電子學(xué)等領(lǐng)域比碳納米管率先獲得應(yīng)用。然而，與碳納米管相比，三元B-C-N納米管實驗合成的難度要大得多，尤其是單壁納米管的合成，是一個具有很大挑戰(zhàn)性的課題。

    中科院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室（籌）表面物理實驗室白雪冬研究組，多年來一直致力于輕元素B、C、N體系納米材料方面的研究。2006年，該研究組的王文龍副研究員等人利用等離子體輔助的熱絲化學(xué)氣相沉積（CVD）生長技術(shù)，在國際上首次實現(xiàn)了三元B-C-N單壁納米管的直接合成，該工作是輕元素納米管領(lǐng)域的研究突破，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc.（2006, 128, 6530）上，引起了國際同行的較大關(guān)注（年平均引用在10次以上）。高質(zhì)量單壁納米管樣品的成功合成，使得三元B-C-N納米管的電學(xué)器件構(gòu)筑成為了可能。2008年，該組成功制備出基于單壁B-C-N管的場效應(yīng)晶體管（FET）器件，研究表明B-C-N單壁管中半導(dǎo)體性納米管的比例超過97%，遠(yuǎn)超過單壁碳納米管中66%的自然比例，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在Adv. Mater. (2008, 20, 3615) 上。他們在三元B-C-N單壁納米管研究方面的系列工作表明，通過B、N共摻雜形成三元B-C-N納米管，是解決純碳納米管體系中電學(xué)性質(zhì)不可控問題的一個有效途徑，有望為納米管FET器件的規(guī)�；�制備與集成開辟一條新路。NPG Asia Materials 對他們的工作以研究亮點形式進(jìn)行了報道。

    最近，白雪冬研究組的王文龍副研究員和博士生楊曉霞等人在單壁B-C-N納米管研究方面又取得了新進(jìn)展。三元B-C-N納米管的合成有兩個基本途徑：直接生長法與碳納米管取代反應(yīng)法。直接生長法是指把B、C、N三種元素的前驅(qū)物同時引入生長環(huán)境，在納米管生長的同時實現(xiàn)對其B、N摻雜，CVD方法便是直接生長法的一種。而所謂取代反應(yīng)法則是以預(yù)先合成好的碳納米管作為母體，在高溫下使之與合適的含B和N的化合物之間發(fā)生化學(xué)取代反應(yīng)，當(dāng)碳納米管晶格中的部分C原子被B、N原子所取代摻雜后，便得到三元B-C-N納米管。納米管取代反應(yīng)法在原理上是一種能大量制備三元B-C-N納米管的方法，曾經(jīng)在B-C-N多壁納米管的合成方面取得較好的結(jié)果，但是對單壁納米管卻一直難以奏效。

    針對這一難題，王文龍等人發(fā)展了一種新穎的液相濕化學(xué)輔助的納米管取代反應(yīng)法，實現(xiàn)了B-C-N單壁納米管的高效大批量合成。所合成的B-C-N單壁管具有與起始單壁碳納米管相媲美的高純度，以及完好的管壁結(jié)構(gòu)，可以獲得較高的B、N摻雜濃度，并且成分均勻�；�于薄膜FET器件的電學(xué)性質(zhì)測量結(jié)果表明，通過取代反應(yīng)法所制備的B-C-N單壁納米管表現(xiàn)出純半導(dǎo)體性。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在近期的J. Am. Chem. Soc.（2011，133, 13216）上。

    該工作得到了國家自然科學(xué)基金委、科技部與中科院的支持。