国立产业技术综合研究所[会长：吉川博之]（以下简称“AIST”）纳米技术研究部[主任：横山博]是单壁碳纳米管开发了具有偏振光发射特性的薄膜。
单壁碳纳米管（以下简称“SWNT”）单壁碳纳米管)，创建高质量的薄膜非常重要，但以前的薄壁碳纳米管薄化方法无法防止管聚集成束。当谈到束时管之间强电子相互作用，存在SWNT无法发挥其固有的半导体功能，特别是发光功能和光电转换功能的主要问题。
这次，通过使用明胶（一种生物聚合物）作为分散介质，我们能够形成管子逐个均匀分散的薄膜，并通过进一步拉伸，我们成功地形成了孤立的单壁碳纳米管沿特定方向取向的薄膜[见照片]。当用（非偏振）可见光照射该薄膜时，光在管取向方向上强烈偏振近红外区的发射观察到[见图1]。虽然这是首次制造出发光的SWNT薄膜，但预计通过为其添加新的偏振特性，它将为SWNT的光学和电子功能的发展以及电子特性的阐明提供巨大的推动力。
该结果由美国物理学会发表应用物理快报发表于 2 月 14 日号。
「分散在明胶膜中的拉伸排列单壁碳纳米管的高偏振吸收和光致发光”，YKim、NMinami 和 SKazaoui，Appl。物理。莱特。 86, 073103 (2005).
照片：拉伸纳米管分散明胶薄膜
|
|
图1 这次制作的薄膜的偏光发光特性
当用非偏振可见光照射排列的纳米管薄膜时，在近红外区域会发生偏振光发射。即，根据偏振方向与管取向方向平行(//)还是垂直(⊥)，发射强度显着不同。
|
单壁碳纳米管（SWNT）具有由紧密卷绕的石墨片制成的圆柱形结构，但它们具有极其独特的特性，根据石墨片卷绕的方向，它们会变成金属或半导体。另外，虽然它是由称为碳的单一元素制成的物质，但它取决于管的厚度能隙的尺寸近乎连续的变化、管的长度方向和厚度方向的物理性质差异很大的各向异性大、以及所有组成元素都存在于表面等无与伦比的特性，作为一种全新的半导体材料而备受期待。尽管对作为使用SWNT的半导体器件的场效应晶体管(FET)进行了大量研究，但在利用半导体的重要特性——与光的相互作用(光电转换、电致发光等)的器件方面的研究进展甚微。人们早就知道用表面活性剂分散的SWNT水分散体会发光，但当制成薄膜时，管会聚集并失去其发光功能，使得研究薄膜的光学和电子功能变得困难。
产业技术研究院纳米技术研究部从“为了将SWNT独特的光学和电子功能实用化，首先必须制作发光的SWNT薄膜”的角度出发，进行了三四年的研究。
迄今为止，该研究部门已使用 Langmuir-Blodgett (LB) 方法成功地形成了具有定向单壁碳纳米管的均匀薄膜。今天的 AIST2002 年 10 月号发布，日本应用物理学杂志第 1 部分，2003年12月出版，2004年7月注册专利）。然而，虽然LB法具有能够逐层堆积的优点，但在原料合成过程中管子强烈聚集在一起，使得无法利用半导体SWNT原有的光学和电子功能。
为了利用单壁碳纳米管聚集体的光电功能，隔离管并对齐它们的方向非常重要。在本研究中，我们利用作为分散介质的明胶膜可以拉伸的特性实现了管的定向。
在这项研究中，我们能够使用一种极其简单的方法，将原材料单壁碳纳米管分散在明胶水溶液中，并用分散体制成薄膜，从而形成具有均匀分散的分离单壁碳纳米管的薄膜[见图2]。明胶薄膜作为照相感光体的优良分散介质已有 100 多年的历史，该方法充分利用了这些特性。特别是，明胶溶液的凝胶化在防止单壁碳纳米管聚集方面起着重要作用。换句话说，当温热的明胶水溶液静置并冷却时，它会在 40°C 左右从流体状态（溶胶）转变为非流体状态（凝胶）（与制作食用果冻的原理相同），这被认为冻结了分散的单壁碳纳米管的运动，并防止管在随后的薄膜干燥过程中聚集。
这次制作的薄膜具有光学均质性，在可见光照射下，在近红外区域观察到SWNT特有的发光。这是半导体 SWNT带间光跃迁具有团聚管的薄膜由于管之间的相互作用而失去了发光功能，但通过这种成膜方法，由于明胶的分散作用，管彼此隔离，从而可以创建发光的SWNT薄膜。此外，我们尝试通过拉伸该薄膜来将单壁碳纳米管定向到某个方向，并取得了成功。管的实际方向是光学各向异性的测量证实了这一点（偏振光吸收特性、偏振光发射特性、双折射）[见图1、3和4]。当单壁碳纳米管沿随机方向取向时，不会观察到这些特性。
 |
 |
 |
 |
 |
| 将单壁碳纳米管/明胶分散溶液浇注在基材上 |
干燥
|
剥皮
|
酒精中肿胀
|
机械拉伸
|
|
图2 通过将纳米管分散在明胶中来创建取向膜的程序
|
 |
图3 本次制作的薄膜的偏振光吸收特性
取向纳米管薄膜的光吸收强度根据偏振方向与拉伸方向平行（//）还是垂直（⊥）而有很大差异。 |
 |
|
图4碳纳米管的光学各向异性
由于纳米管的各向异性较大，其光学特性根据偏振方向（光的振动方向）变化很大
|
目前，SWNT薄膜的发光较弱，但弄清楚这是否是SWNT的固有特性，或者是否可以通过改进来提高发光效率，是追求光学功能应用的一个极其重要的问题。
同时，在阐明单壁碳纳米管的基本电子特性方面，这是一个尚未解决的问题。到目前为止，这种研究还无法实现，因为还没有发光的SWNT薄膜，但这一结果可以说开辟了一条新的研究途径，无论是基础还是应用。
未来，如果通过研究进展实现强发光的SWNT，预计将带动各种光学和电子功能器件的发展。例如，如果实现发射波长可控制的近红外发光元件或宽感光波长范围的近红外光电转换元件，则可用于光通信领域，更可用作纳米（纳米：1纳米为十亿分之一米）尺寸的极小型近红外光源。预计这种薄膜形成技术可用于开发使用单壁碳纳米管的气体传感器。