该文档是发表于 Advanced Functional Materials 期刊2025年第35卷上的一篇题为 “Controlled Assembly of Single-Walled Carbon Nanotubes into Thin Films and Their Applications” 的综述文章。本文的作者包括来自北京大学北京分子科学国家实验室、纳米器件物理与化学教育部重点实验室、化学与分子工程学院的陈宇光、邱子龙、刘彦钊、张泽尧和李彦，以及北京大学前沿交叉学科研究院的姚逸熙和北京大学山西碳基薄膜电子研究院、山西大学先进功能材料与器件研究所的张泽尧和李彦。这篇综述旨在系统性地审视将单壁碳纳米管可控组装成薄膜的各类方法，并介绍其在高性能电子器件、透明电极和柔性传感器等新兴领域的应用，旨在总结该领域已取得的里程碑和面临的挑战，以激发新的实验设计和推动实际应用。

本文的核心主题围绕单壁碳纳米管薄膜的“可控组装”展开。作者开宗明义地指出，尽管单壁碳纳米管具有卓越的电学、光学和机械性能，但其性能的充分发挥依赖于将其可控地组装和组织成包括随机网络和定向阵列在内的薄膜。过去三十年，随着生长、分散和分选技术的发展，多种沉积和组装方法被提出并付诸实践。然而，所获得的薄膜，尤其是定向阵列，仍未完全满足高端应用的需求。本文的核心论点是：通过对各种组装方法进行系统性的梳理、分类、比较和批判性分析，可以为该领域提供清晰的路线图，指明未来研究的方向。文章的主体结构分为三个主要部分，分别对应两种主要的薄膜制备路径和三类关键应用。

第一部分：从分散液中进行可控聚集和组装 这是文章篇幅最大、论述最详尽的部分，分为随机网络薄膜和定向阵列薄膜两大类进行阐述。

对于随机网络薄膜，文章总结了三种主要形成方式： 1. 在基底上吸附：该方法通过调节分散液中的碳纳米管与基底之间的相互作用来实现可控沉积。文章区分了水基和有机分散液两种情况。 * 水基分散液：其吸附行为主要由静电相互作用控制。例如，包裹了离子型表面活性剂（如SDS、SC）的SWCNTs倾向于沉积在经过带正电修饰剂（如APTES、PLL、NMPI）处理过的基底上，其机理被认为是离子交换。文章指出，烷基链表面活性剂（如SDS）可能在修饰过的基底上形成致密单层，阻碍了SWCNTs的吸附，而甾体类表面活性剂（如SC）则因其刚性结构不易紧密堆积，从而允许更高密度的沉积。此外，pH值、盐浓度等因素对吸附速率和密度有显著影响。文章也提到了适用于刚性/柔性基底的通用修饰方法，如甲氧羰基聚烯丙胺交联层。 * 有机分散液：主要用于聚合物（如PFO衍生物、PCz）包裹的半导体性SWCNTs。其吸附机制与水基体系不同，静电作用并非主因。研究表明，沉积密度受基底亲水性、等离子体处理产生的氢键、SiO₂纳米颗粒粘附层、以及溶剂化力等多种因素影响。一个关键的挑战是直接吸附过程通常耗时较长（≥20小时）。文章重点介绍了Shulaker等人基于朗缪尔吸附理论，通过“多次浸泡-干燥循环”和“人工浓缩蒸发”两种策略，将沉积时间从48小时大幅缩短至150秒，同时精确控制密度的方法。这凸显了对吸附/脱附动力学理解的深化对工艺优化的巨大价值。 2. 从分散液中沉淀：利用溶剂的蒸发或不良溶剂的加入，使碳纳米管沉淀形成薄膜。多种基于低维液相结构的实用技术被用于此目的。 * 旋涂：简单可控，但低浓度难以形成致密膜，高浓度易团聚。改进策略包括使用乙醇等低沸点溶剂分散液以减少静电排斥，或采用“双组分旋涂”法（同时滴加分散液和甲醇）以移除表面活性剂促使SWCNTs析出。 * 喷涂：对基底尺寸和柔性适应性强，但难以获得均匀超薄膜。超声喷涂和气溶胶喷射打印等技术被用于改善均匀性和图案化能力。 * 液-液界面沉淀：利用微流道层流界面、不混溶溶剂界面（如水/己烷）或Pickering乳液界面，诱导SWCNTs在界面处组装成膜。 * 浸涂：通过提拉基片，在弯月面区域通过溶剂蒸发实现沉积。沉积行为受溶剂沸点（蒸发速率）和分散液粘度控制。文章指出，对于氯仿等低沸点溶剂，密度与提拉速度（在1-450 mm/min范围内）无关，且可通过多次涂覆线性增加密度，在4英寸晶圆上展现出良好的均匀性（变异系数约10%）。 * 刮涂/棒涂：通过拖动弯月面进行涂覆。关键在于控制液体薄膜的“去湿”现象，通过添加乙二醇或Triton X-100等物质调节表面张力和剪切粘度，可制备均匀薄膜。 * 喷墨打印：可实现图案化沉积，但需克服“咖啡环效应”。文章也指出，通过精确控制基板温度，可以反过来利用“咖啡环效应”制备具有高透明导电性的连接环阵列。 3. 真空过滤：通过滤膜收集SWCNTs网络，厚度可通过过滤的分散液的浓度和体积控制。该方法简单、可重复、可扩展，且滤膜上的分散剂可用纯溶剂洗去。文章强调了其“自均质化”反馈机制：滤饼较薄或较松的区域流阻较小，会有更多分散液流过并沉积纳米管，从而补偿局部低密度。然而，对于超薄滤饼（<40 nm），此反馈效果不佳。文章还讨论了SWCNTs的长度、直径分布以及金属性/半导体性比例对网络膜性能的显著影响，指出混合约30%金属性纳米管的薄膜可能表现出比纯金属性或纯半导体性薄膜更低的电阻，这一发现挑战了先前关于异质结肖特基势垒导致高电阻的认知。

对于定向阵列薄膜，文章总结了五种主要形成方式： 1. 场诱导排列： * 电场诱导（介电泳）：利用SWCNTs在轴向和径向的高度各向异性介电常数，在非均匀电场（特别是交流介电泳）中，纳米管会受到使其沿电场线排列的扭矩。文章介绍了利用平行平板电极通道进行大面积均匀组装、利用齿状电极阵列进行单根纳米管的精确组装，以及利用表面微电极与硅衬底之间形成的边缘电场进行高密度（~50 tubes/μm）、小间距（21±6 nm）阵列组装的方法。挑战在于需要预涂电极，且分散液质量（金属杂质、管束）影响沉积。 * 流场诱导：在具有速度梯度的非均匀流场中，纳米管会受到使其沿流线排列的拖曳力矩。方法包括对高浓度液晶或凝胶进行“机械剪切”、在干燥过程中用气流吹拂、以及更精细的“旋涂辅助排列”和“通道注入剪切”。其中，旋涂辅助排列能从NMP分散液中在胺基修饰的基底上沉积出具有半导体性富集效果的径向排列阵列。通道注入剪切能产生高达10,000 s⁻¹的剪切率，在晶圆尺度上形成致密阵列，但取向分布半高宽仍达约32°。提高分散液粘度和纳米管长度有助于改善排列。 * 磁场诱导：由于SWCNTs具有各向异性磁化率，但所需场强高，且易受顺磁性金属杂质和掺杂效应影响，实际应用受限。 2. 在界面和接触线处的聚集： * LB/LS法：通过将分散液铺展在水面，压缩单层膜，然后垂直（LB）或水平（LS）转移至基底。早期用于化学修饰的SWCNTs，后来用于聚合物（如PMPV）包裹的SWCNTs，可获得高密度、高取向度的阵列，但膜中可能存在空洞、弯曲、缠绕等缺陷，且易形成双层而非单层。 * 蒸发驱动自组装：将亲水基底浸入水基分散液，水蒸发时，接触线被钉扎，对流将纳米管推向并沿接触线排列沉积，形成连续或条带状阵列。条带宽度可通过SWCNTs和表面活性剂浓度调节。缺点是由于水蒸发慢，组装效率极低（常需数天）。 * 液-液界面聚集：这是近年来发展的重点。剂量控制浮法蒸发自组装（FESA） 通过将有机分散液（如氯仿）逐滴滴到水面上靠近疏水基底处，纳米管在油-水界面自发聚集形成二维向列液晶相，并随基底提拉沉积成条带状阵列。界面区域存在随机网络。通过切向流辅助自组装，可改善均匀性和排列有序度。维度限制自组装（DLSA） 则通过设计界面相互作用（如氢键），使聚合物包裹的SWCNTs被限制在有机溶剂/二醇界面，并在提拉时沉积到亲水基底上，实现了超高密度（100-200 tubes/μm）、大面积的单层定向阵列组装，且沉积速率可调。 3. 良好控制的真空过滤：通过精心控制条件（低表面活性剂浓度、低纳米管浓度、低过滤速度），并利用带负电的亲水性PVP涂层滤膜产生的势阱，可以使SWCNTs在滤膜附近聚集、挤压，形成准二维向列相，最终产生宏观单畴排列的薄膜，标准偏差可达±1.5°。滤膜上的平行沟槽决定了全局排列方向。此方法甚至可制备出部分晶体化的薄膜。其机制与基底吸附中的势阱模型相似。 4. 通过基体变形排列：将SWCNTs随机网络固定于弹性基体（如PDMS）中，通过拉伸或预拉伸后收缩基体，可使纳米管沿特定方向排列。例如，“吹泡法”产生径向排列阵列；“收缩法”在提高密度的同时改善排列（收缩比为4时，取向角标准偏差降至6.5°）。但此方法难以解开纳米管的重叠。 5. 在图案化基底上沉积：利用图案化基底上不同区域与SWCNTs相互作用的各向异性，引导其沉积到预定区域并沿沟槽方向排列。例如，在HfO₂沟槽上选择性修饰NMPI单层，可引导带负电的SWCNTs高精度（~90%放置率）定位沉积，沟槽越窄，排列越好。此方法可实现单个纳米管的定点放置。

第二部分：从气相直接沉积薄膜 文章简要讨论了以浮动催化剂化学气相沉积（Floating Catalyst CVD, FCCVD）为代表的气相直接沉积法。这种方法能够连续、大规模地制备SWCNT薄膜，通常得到的是随机网络，但通过引入气流、磁场或特定基底，也可以实现一定程度的取向控制。此部分作为从分散液组装方法的重要补充被提及。

第三部分：薄膜应用 文章概述了基于SWCNT薄膜的三类重要应用： 1. 高性能电子器件：重点是基于半导体性SWCNT定向阵列的场效应晶体管（FET）。高密度、高纯度、高取向度的阵列是实现高跨导、高电流密度、准弹道传输等优异性能的关键。文章提及基于DLSA等方法制备的阵列FET已展现出接近理论极限的性能。 2. 透明电极：随机网络薄膜因其可调的薄层电阻和透明度，是ITO的潜在替代品。性能优化涉及控制纳米管密度、长度、直径、金属性比例以及降低接触电阻和后处理（如酸掺杂）。 3. 柔性传感器：SWCNT薄膜的柔韧性和电学性能对外界刺激（应变、压力、气体、生物分子）的敏感性，使其适用于可穿戴设备和电子皮肤。

总结与价值 这篇综述的价值在于其系统性和批判性。它不仅像地图一样清晰地分类和描述了制备SWCNT随机网络和定向阵列薄膜的十余种主要技术路径，详细阐述了每种方法的原理、优势、局限、关键控制参数和最新进展，更重要的是，它通过对比分析，揭示了不同方法内在的物理化学机制（如静电作用、界面限制、势阱效应、流场/场致取向等），指出了当前面临的核心挑战（如单层高密度定向阵列的大面积均匀制备、效率与成本的平衡、杂质与缺陷控制等）。文章将方法论与应用需求紧密联系，强调了“可控组装”是实现SWCNT在高端应用潜力的必经之路。它为相关领域的研究人员提供了全面的知识基础、深入的技术见解和明确的研究方向，对于推动碳纳米管薄膜从实验室走向实际应用具有重要的指导意义。