一维 CrI3封装于多壁碳纳米管中的研究：从结构表征到磁性质探索

为解决单壁无机纳米管合成难题，研究人员开展 CrI3封装于多壁碳纳米管（MWCNTs）的 1D 范德华异质结构研究，用 CVT 法合成单壁 CrI3纳米管，揭示其磁性质，为非共线磁态研究铺路。

　　在二维范德华（vdW）材料研究热潮中，一维（1D）范德华异质结构（vdWHs）作为新兴领域，因其独特的同轴堆叠结构和潜在的新奇物理现象，逐渐成为科研焦点。二维磁性材料如 CrI₃单层作为首个独立单层铁磁体，虽在平面器件中展现出优异特性，但将其拓展至一维管状几何结构时面临巨大挑战。传统合成中，无机单壁纳米管（SWNTs）因高应变能和层间相互作用不足，易形成多壁结构，导致单壁 CrI₃纳米管的制备长期未获突破。此外，磁各向异性与曲率的相互作用在微米级人工结构中已有研究，但在纳米尺度的一维范德华异质结构中，相关磁性质的实验探索仍属空白。

为突破上述瓶颈，国际伊比利亚纳米技术实验室（International Iberian Nanotechnology Laboratory, INL）的研究人员开展了 CrI₃纳米管的合成与表征研究。团队通过化学气相传输（CVT）技术，成功将单层 CrI₃纳米管封装于多壁碳纳米管（MWCNTs）内，形成直径 2-10 nm（平均 5.3 nm）的一维范德华异质结构，并结合先进显微技术与理论计算，系统揭示了其结构特征与磁行为。该研究成果发表于《Communications Chemistry》，为纳米尺度磁学与拓扑物理的交叉研究提供了新平台。

研究采用的关键技术包括：高分辨透射电子显微镜（HRTEM）与扫描透射电子显微镜（STEM）用于观察纳米管的封装结构与晶体取向；能量色散 X 射线光谱（EDS）验证 CrI₃的化学组成与元素比例；X 射线磁圆二色光谱（XMCD）和超导量子干涉器件（SQUID）磁强计分析磁性特征；密度泛函理论（DFT）计算模拟纳米管的电子结构与磁基态。

结果与讨论

纳米管的合成与结构表征

通过毛细管填充法，CrI₃熔融物在 MWCNTs 内腔中固化形成单壁纳米管。高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像显示，CrI₃以明亮区域均匀填充于碳纳米管暗背景中，证实了单壁结构的形成。高分辨透射电镜（HRTEM）进一步显示，CrI₃纳米管呈锯齿形手性，晶体结构完整且无位错，应变梯度沿管壁平滑分布。EDS mapping 与能谱分析确认 Cr:I 原子比为 1:3，符合 CrI₃化学计量比，且管外残留 Cr 团簇经清洗后显著减少。统计显示，纳米管占填充结构的 92%，平均直径 5.3 nm，与 MWCNTs 内径分布（2-10 nm）吻合，验证了合成方法的可控性。

磁性质分析

SQUID 磁测量表明，CrI₃粉末前驱体呈现铁磁行为，居里温度 54 K，但封装后的一维异质结构磁矩显著降低，且无明显相变特征。XMCD 光谱在 Cr L_3,2边显示强二色性信号，证实 Cr 原子的局域磁矩存在。对比粉末样品，纳米管光谱出现 0.2 eV 能量偏移，归因于曲率引起的晶体场变化与碳管 - CrI₃间的电荷转移。尽管样品中存在约 10% 的 Cr 氧化物杂质，理论模型与 DFT 计算均预测纳米管中存在径向磁化态，即自旋沿径向非共线排列，导致宏观净磁矩为零。

理论模拟与机制阐释

DFT 计算显示，CrI₃纳米管与碳管形成 II 型半导体异质结，导带与石墨烯狄拉克点对齐，电荷转移量约 5×10¹² cm^-2，但磁有序未受显著影响。磁各向异性与交换作用的竞争模型表明，当纳米管周长超过临界值（对应直径 3.15 nm）时，径向磁化态能量低于共线态，与实验观察的大直径纳米管主导现象一致。该非共线自旋织构可通过有效自旋轨道耦合影响碳管电子输运，为磁电耦合器件设计提供理论依据。

结论与意义

本研究首次通过 CVT 技术实现 CrI₃单壁纳米管在 MWCNTs 中的封装，结合实验与理论揭示了一维范德华异质结构中磁各向异性与曲率的协同效应，验证了径向磁化态的存在。该工作不仅突破了无机单壁纳米管合成的瓶颈，更开拓了管状几何中非共线磁态的研究领域，为纳米级电磁器件、拓扑量子材料及自旋电子学器件的研发奠定了基础。未来，单管磁输运实验与量子涨落效应的深入研究，将进一步推动该体系在新型功能器件中的实际应用。