可控制备高质量的碳纳米管是实现碳纳米管实际应用的重要前提.目前,实验上用来大量制备碳纳米管的主要方法是化学气相沉积(CVD)法,利用该方法对碳纳米管的合成在过去20年内取得了长足的发展.最近,清华大学研究组利用CVD方法合成出长度达20cm的单壁碳纳米管,其生长速度达到了80μm/s,并且在cm尺寸的长度上几乎没有缺陷.[1] 这一重要研究进展给碳纳米管的高效制备带来了新的生机,同时,也给人们提出了一个问题,究竟碳纳米管CVD生长的极限是什么？基于第一性原理的理论计算,我们对碳纳米管的生长机理,生长速度极限以及生长过程中缺陷的自消除进行了研究.研究结果表明,碳纳米管生长过程的决速步是碳原子从金属催化剂表面加入到碳纳米管中成为碳管一部分的过程,该过程需要克服的能垒与催化剂的种类密切相关,在Fe,Co,Ni这三种催化剂中,Fe催化剂表面需要克服的能垒最低,大约为1.8eV,因而Fe被认为是碳纳米管生长最好的催化剂,这与实验结果一致.[1,2] 基于计算得到的能垒,我们预测碳纳米管的CVD生长速度的极限可达到m/h的数量级,这一预测与目前已知的实验结果相符.[3]我们的研究还发现,碳纳米管生长过程中所产生的拓扑缺陷在金属催化剂/碳纳米管的界面处存在一个自消除的行为.以能量最低的三种拓扑缺陷为例,我们考察了五元环缺陷,七元环缺陷和5/7缺陷在不同催化剂(Fe,Co,Ni)表面的自消除机理及其动力学过程.结果表明,Fe催化剂对缺陷的消除效果最好.并且,在合适的温度下,碳纳米管的缺陷浓度可以降低到10-11,即理论上可合成长度达100cm的无缺陷碳纳米管.[4]