單壁碳納米管（SWCNT）的發(fā)現(xiàn)被認為是納米科技的里程碑之一。目前，SWCNT主要可由電弧放電、激光蒸發(fā)和化學(xué)氣相沉積（CVD）等方法制備。由于對其生長機理缺乏全面深入的認識，故而尚未找到對SWCNT精細結(jié)構(gòu)調(diào)控的有效手段，所有方法制備得到的樣品均為不同直徑、長度和導(dǎo)電屬性SWCNT的混合物。

    自2009年起，在科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院的大力支持下，中國科學(xué)院金屬研究所在SiOx非金屬催化劑生長單壁碳納米管研究中取得了一系列進展，相關(guān)成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（JACS）和《ACS納米》等刊物上。

    SWCNT的制備通常需要鐵族金屬作為催化劑�？蒲腥藛T發(fā)現(xiàn)，除鐵族金屬外，其他一些金屬在適當條件下也能生長SWCNT。然而，由于很難完全去除，這些金屬催化劑的殘存會影響SWCNT的本征性質(zhì)（如電學(xué)、磁學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)性、生物毒性等），并為其在納電子器件和生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的實際應(yīng)用帶來障礙。

    2009年，中科院金屬所沈陽材料科學(xué)國家（聯(lián)合）實驗室先進炭材料研究部和溫州大學(xué)的科技人員幾乎同時獨立發(fā)明了一種簡單高效的非金屬催化劑生長高質(zhì)量SWCNT的新方法。研究人員首先采用離子濺射，在硅襯底上沉積30納米厚的二氧化硅層，經(jīng)過氫氣高溫處理，形成大量平均粒徑為1.9納米的SiOx顆粒。然后以甲烷為碳源，經(jīng)過900℃的CVD生長，在襯底表面制備出高密度、高質(zhì)量的SWCNT網(wǎng)絡(luò)。

    同時，科研人員還提出了一種簡單的“表面刻劃法”來實現(xiàn)SWCNT的無金屬催化劑圖案化生長。采用CVD即可在硅襯底的劃痕處生長出SWCNT，而無劃痕處則無SWCNT生成。如果以更小的“針尖”（如原子力顯微鏡的探針）去刻劃表面，則該方法的精度可得到極大的提高。

    在此基礎(chǔ)上，研究人員進一步分析了SiOx催化劑生長SWCNT的特點并探索了SWCNT的控制生長。他們發(fā)現(xiàn)，SiOx生長SWCNT的速度極慢，只有相同條件下鈷催化劑的1/300�；�于這一特點，通過簡單地控制反應(yīng)時間，實現(xiàn)了較短SWCNT的長度可控制備，可選擇性地生長平均長度只有149納米的短SWCNT。

    最近，研究人員結(jié)合CVD生長、原位透射電鏡觀察和DFT計算，對SiOx催化劑的狀態(tài)和SWCNT的生長機理進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)，SiOx催化劑在SWCNT生長的整個過程中保持非晶固態(tài)，反應(yīng)遵循新的氣—固—固生長機理，而非傳統(tǒng)的氣—液—固機理；相同大小的硅顆粒不能生長SWCNT，表明催化劑的化學(xué)成分對生長SWCNT具有很重要的影響；SiOx中的氧能夠促進催化劑對甲烷的吸附能力，有利于SWCNT的生長。