本文展示了辛辛那提大学化学系Alvarez教授实验室的研究成果，该研究在金属/开口碳纳米管（CNTs）界面间创建了Cu与C之间的共价键。垂直排列的碳纳米管通过化学键锚定在铜金属基底上，形成了坚固的连接。理论计算表明，每个连接分子上的C原子与（0）和（0）基底上的两个相邻Cu原子形成桥式共价键，而在（）基底上形成较弱的线性键。实验验证涉及将连接在铜上的CNTs浸入溶液中并进行超声处理，以展示键合的稳固性。

        电子设备在我们的日常生活中扮演着重要角色，开发更小、更快的电子设备对人类文明的进步至关重要。然而，传统的导电材料在电子设备的微型化方面已达到操作极限。由于具有出色的物理和化学性质，碳纳米管被视为现有金属导体和硅基半导体的潜在替代品，用于未来电子产品的开发。尽管如此，碳纳米管在商业应用中的广泛应用仍面临诸多挑战，其中之一是如何将碳纳米管牢固地连接到金属上，以用于热和电导应用。
 
 
图1 开口碳纳米管与晶体铜金属表面共价键形成的示意图。氮（蓝色）、碳（绿色）、氢（白色）、氧（红色）和铜（橙色）。
 
 
图2 氨基苯基在铜金属表面附着的最优化几何构型。能量值以最稳定构型为基准（0 eV）。氮（蓝色）、碳（绿色）、氢（白色）和铜（橙色）。
 
 
图3 沿含Cu-C化学键相位的二维电子局域化函数(ELF)图：(A)Cu(100)、(B)Cu(110)和(C)Cu(111)晶面；(D)Cu(100)、(E)Cu(110)和(F)Cu(111)晶面上氨基苯基的ELF等值面(h = 0.8 eÅ⁻³)。氮（蓝色）、碳（绿色）、氢（白色）和铜（橙色）。
 
 
图4 氨基苯基通过桥接或顶端配位方式在不同铜晶面（100/110/111）上连接碳纳米管的相对能量分布。能量值以最稳定构型为基准（0 eV）。氮（蓝色）、碳（绿色）、氢（白色）和铜（橙色）。
 
 
图5 (A)用于I-V曲线计算的纳米金电极连接氨基苯基模型（有/无对比）。纳米金电极在计算中作为电子源极和漏极。氮（蓝色）、碳（绿色）、氢（白色）、铜（橙色）和金（黄色）。(B)I-V曲线、(C)电导及(D)电阻对比（红色曲线：含氨基苯基模型；蓝色曲线：无氨基苯基模型）。
 
 
 
图6 铜表面功能化及后续羧基修饰碳纳米管尖端连接的机理示意图。氮（蓝色）、碳（绿色）、氢（白色）、氧（红色）和铜（橙色）。
 
 
图7 (A)裸铜（蓝色）与氨基苯基接枝铜表面（反应时间5秒，粉色）的XPS全谱扫描。插图为N元素特征峰的放大显示。(B)红外光谱：(a)裸铜表面，(b)氨基苯基接枝铜表面（反应时间5分钟），(c)固态对苯二胺参比样。
 
 
图8 共价键合铜金属表面的垂直取向碳纳米管（VA-CNTs）在超声处理前后的SEM图像：(A)附着于铜基底的碳纳米管阵列侧视图；(B)铜基底上开口VA-CNTs的高倍率图像；(C)超声处理后VA-CNT阵列的低倍率俯视图；(D)超声处理后VA-CNT阵列的高倍率俯视图。
 
       理论计算和实验结果支持并验证了Cu金属原子与氨基苯基功能团中碳原子之间的共价键形成。SEM成像表明CNTs与Cu表面相连，且超声实验验证了CNTs与Cu之间键合的强度。这是首次在开口CNTs与金属表面之间形成共价键，具有模拟金属与有机纳米管之间分子内型电子传输的潜力。

本文的创新点主要体现在以下几个方面：
‌首次实现碳纳米管与金属的共价键连接‌：研究首次在开口碳纳米管(CNTs)与铜金属表面之间建立了C-Cu共价键，突破了传统物理吸附或范德华力连接的局限。
‌创新的键合机制设计‌：通过氨基苯基连接剂作为桥梁，在Cu表面形成有机层，再与CNT开口端的羧基功能团形成酰胺键，实现了分子级别的精确键合。
‌理论计算与实验验证相结合‌：采用DFT计算预测键合性质，并通过XPS、IR、SEM等多种表征手段验证了键合效果，形成完整的研究闭环。
‌界面电阻性能研究‌：首次系统测量了CNT-Cu共价键合界面的电阻特性，为电子传输应用提供了基础数据。
‌超声稳定性验证‌：通过超声处理实验证明了键合的机械稳定性，这在电子器件应用中具有重要意义。
这些创新为开发基于碳纳米管的新型电子器件和互连技术提供了重要基础，特别是在纳米电子学、热管理和传感器等领域具有广阔应用前景。
DOI: 10.1039/d3na00500crsc.li/nanoscale-advances

转自《石墨烯研究》公众号