碳纳米管.ppt

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1、碳纳米管碳纳米管内内 容容 概概 述述 碳纳米管的制备简介；碳纳米管的制备简介；碳纳米管的性质和应用简介；碳纳米管的性质和应用简介；碳纳米管结构和生长机制简介；碳纳米管结构和生长机制简介；碳纳米管能量的连续化模型；碳纳米管能量的连续化模型；单层碳纳米管束的优化结构；单层碳纳米管束的优化结构；单个独立的环形单层碳纳米管的单个独立的环形单层碳纳米管的 优化结构；优化结构；环形单层碳纳米管束的优化结构环形单层碳纳米管束的优化结构碳的四种同素异形体碳的四种同素异形体diamondgraphitefullerenenanotube富勒烯(C60)1985年英国年英国Sussex大学化学家大学化学家Kro

2、to和美国和美国Rice大学化学大学化学物理学家物理学家Smalley及及Curl等人等人发表文章，宣布表文章，宣布笼形分子形分子C60的的发现。Smalley和和Kroto等分析等分析认为C60分子是个足球的分子是个足球的样子，由子，由12个五元个五元环和和20个六元个六元环组成的球状分子，其成的球状分子，其60个个顶点由碳原点由碳原子占据。子占据。为了了纪念美国建筑念美国建筑师Buckminster Fuller设计圆穹穹屋屋顶，感，感谢他在他在为解开解开C60分子分子结构之构之谜提供的帮助，他提供的帮助，他们决定命名决定命名C60为Buckminster Fullerene简称称full

3、erene,俗称俗称Buckyballs。但此后几年，由于不能制。但此后几年，由于不能制备出足出足够多的多的C60，通通过实验来确定来确定C60存在的存在的问题还没有解决。没有解决。1990年，德国科学家年，德国科学家Huffman和和Kratshmer通通过在氦气中使在氦气中使石墨石墨电弧放弧放电蒸蒸发制制备出了足出了足够多的多的C60从而从而证实了了C60分子分子的存在。的存在。1996年，英国人年，英国人Kroto、美国人、美国人Smalley和和Kurl因因此荣此荣获了了诺贝尔化学化学奖。C60的结构C60属于碳簇（属于碳簇（Carbon Cluster）分子，）分子，由由20个正六个

4、正六边形和形和12个正五个正五边形形组成的球状成的球状32面体，直径面体，直径0.71nm，其，其60个个顶角各有一个碳原子。角各有一个碳原子。C60分子中碳原子价都是分子中碳原子价都是饱和的，每个碳原子与相和的，每个碳原子与相邻的的3个碳个碳原子形成两个原子形成两个单键和一个双和一个双键。五。五边形的形的边为单键，键长为0.1455nm，而六，而六边形所共有的形所共有的边为双双键，健，健长为0.1391nm。整个球状分子就是一个三。整个球状分子就是一个三维的大的大键，其反，其反应活性相当高。活性相当高。C60分子分子对称性很高。每个称性很高。每个顶点存在点存在5次次对称称轴。除了除了C60外

5、，外，还有有C50、C70、C84、直至、直至C960等，其中等，其中C70有有25个六个六边形，形，为椭球状。球状。从碳从碳60到碳纳米管（到碳纳米管（CNT）C60分子被看作是碳材料的分子被看作是碳材料的零维形式零维形式碳纳米管是碳材料的一维形式碳纳米管是碳材料的一维形式C60及富勒烯化合物及富勒烯化合物 1985年英国年英国Sussex大学的大学的Kroto教授和美国教授和美国Slice大学的大学的Smalley教授发现教授发现碳纳米管（碳纳米管（CNTsCNTs）19911991年，日本科学家饭岛年，日本科学家饭岛（IijimaIijima）发现，在）发现，在NatureNature发

6、表发表文章公布了他的发现成果，这文章公布了他的发现成果，这是碳的又一同素异型体。是碳的又一同素异型体。碳纳米管的发现碳纳米管的发现1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima（饭岛澄男）饭岛澄男）发现了多壁碳纳米管（MultiWalled Carbon Nanotubes，MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。，最初称之为“Graphite tubular”。1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-Walled Carbon Nanotubes，SWNTs），直径从0.4nm到3-4nm，长度可达几微米。多层碳纳米管的图例多层碳纳米管的图例双层碳纳米管双

7、层碳纳米管多层碳纳米管多层碳纳米管碳纳米管结构简介碳纳米管结构简介由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的同轴中空无缝管状结构，其管壁曲而成的同轴中空无缝管状结构，其管壁大都是由六边形碳原子网格组成。大都是由六边形碳原子网格组成。根据管壁层数不同，一般分为单层碳纳米根据管壁层数不同，一般分为单层碳纳米管和多层碳纳米管；管和多层碳纳米管；单壁碳纳米管（单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes,SWNTs）：）：由一层石墨烯片由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别为组成。单壁管典型的直径和长度分别为 0.753nm和和150m。又

8、称富勒管。又称富勒管(Fullerenes tubes多壁碳纳米管（多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes,MWNTs）：）：含有多层石墨烯片。形状象含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从个同轴电缆。其层数从250不等，层间距不等，层间距为为0.340.01nm，与石墨层间距，与石墨层间距 (0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为相当。多壁管的典型直径和长度分别为230nm和和0.150m。碳纳米管结构形态普通封口型普通封口型变径型变径型洋葱型洋葱型海胆型海胆型竹节型竹节型念珠型念珠型纺锤型纺锤型螺旋型螺旋型其他异型其他异型 碳纳米管的分类碳纳米管的分类(n

9、,n)(n,0)Armchair(n,n)Zig-Zag(n,0)Chiral(n,m)n m根据碳纳米管中碳六边形网格根据碳纳米管中碳六边形网格沿轴向的不同取向，可将其分沿轴向的不同取向，可将其分为扶手椅型，锯齿型和螺旋型为扶手椅型，锯齿型和螺旋型三种三种(如图所示如图所示)。二维石墨片层按不同方向卷曲形成的二维石墨片层按不同方向卷曲形成的 不同结构的碳纳米管不同结构的碳纳米管单层碳纳米管的图例单层碳纳米管的图例 Armchair(n,n)Zig-Zag(n,0)Chiral(n,m)n mSWNTs的顶端相当于半个富勒烯球组成的封闭管帽，的顶端相当于半个富勒烯球组成的封闭管帽，是由适当数目

10、和位置的五边形和六边形构成是由适当数目和位置的五边形和六边形构成 碳纳米管的制备碳纳米管的制备传统的制备方法传统的制备方法:直流电弧放电法直流电弧放电法更多制备方法更多制备方法:有机气体的催化热解法有机气体的催化热解法(CVD)、激光蒸发石墨法、激光蒸发石墨法、有机气体等离子体喷射法、有机气体等离子体喷射法、准自由条件生长法、准自由条件生长法、凝聚相电解生成法凝聚相电解生成法 燃烧火焰法燃烧火焰法 制备方法特点制备方法特点:通过各种外加能量，将碳源离解原子或离于形式，通过各种外加能量，将碳源离解原子或离于形式，然后在凝聚就可以得到这种碳的一维结构。然后在凝聚就可以得到这种碳的一维结构。电弧放电

11、法（Arc Discharge Methods）q电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电弧室充惰性气体保护，两石墨棒电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保电极靠近，拉起电弧，再拉开，以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被对阴极较高，所以阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。碳纳米管的产物。q电弧法多采用直流电弧，电弧放电电弧法多采用直流电弧，电弧放电条件一般为：电极电压条件一般为：电极电压202030V30V；电；电流流5050150A150A；气体压力；气体压力101080kPa80k

12、Pa。产率产率50。Iijima等生产出了半径约等生产出了半径约1 nm的单层碳管。的单层碳管。Materials Today,Oct 2004,pages 22-49.传统的电弧放电法只能制备多层纳米传统的电弧放电法只能制备多层纳米碳管，只有在加入金属催化剂时才可碳管，只有在加入金属催化剂时才可能得到单层碳纳米管，由此可见催化能得到单层碳纳米管，由此可见催化剂对于单层碳纳米管的生长是必不可剂对于单层碳纳米管的生长是必不可少的。少的。激光蒸发法(Laser Ablation)激光蒸发法制备碳纳米管的装置激光蒸发法制备碳纳米管的装置在加热炉中的石英玻璃管内放一根石墨靶（含或不含金属催化剂），将炉

13、在加热炉中的石英玻璃管内放一根石墨靶（含或不含金属催化剂），将炉温控制在温控制在8501200，激光束蒸发石墨靶，被蒸发的碳在凝聚时形成单，激光束蒸发石墨靶，被蒸发的碳在凝聚时形成单壁或多壁碳纳米管，同时伴随有其他碳产物的形成。石英管内通常充入壁或多壁碳纳米管，同时伴随有其他碳产物的形成。石英管内通常充入He或或Ar，也可以是流动的惰性气体，也可以是流动的惰性气体LA制备的制备的SWNT束的束的TEM照照片片Science 273,483487(1996)单层碳纳米管的直径可以通过改变激光脉冲功率来控制，也可以通过单层碳纳米管的直径可以通过改变激光脉冲功率来控制，也可以通过催化剂的选择来控制。

14、催化剂的选择来控制。激光脉冲功率的增加会使单层碳纳米管的直径变小激光脉冲功率的增加会使单层碳纳米管的直径变小，这与更高脉冲功率将产生更小的片段有关。催化剂的选择在一定程度上可以，这与更高脉冲功率将产生更小的片段有关。催化剂的选择在一定程度上可以影响单层碳纳米管的直径影响单层碳纳米管的直径。利用液体（乙醇、甲醇等）、气体（乙炔、乙烯、甲烷等）利用液体（乙醇、甲醇等）、气体（乙炔、乙烯、甲烷等）和固体（煤炭、木炭）等产生火焰分解其碳和固体（煤炭、木炭）等产生火焰分解其碳-氢化合物获得游历氢化合物获得游历碳原子，为合成碳纳米管提供碳源；然后将基板材料做适当处碳原子，为合成碳纳米管提供碳源；然后将基板

15、材料做适当处理，最后将基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃烧一段理，最后将基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃烧一段时间后取出。基板上的棕褐（黑）色既是碳纳米管或碳纳米纤时间后取出。基板上的棕褐（黑）色既是碳纳米管或碳纳米纤维。维。产生碳纳米管或碳纳米纤维的过程主要决定于基板的性质。产生碳纳米管或碳纳米纤维的过程主要决定于基板的性质。基板的选择和处理、燃料的选择等是本方法的关键技术。基板的选择和处理、燃料的选择等是本方法的关键技术。优点有：合成过程无需真空、保护气氛；无需催化剂；可以在优点有：合成过程无需真空、保护气氛；无需催化剂；可以在大的表面上合成，特别适合于在一个平面上形成一层均匀的

16、碳大的表面上合成，特别适合于在一个平面上形成一层均匀的碳纳米管或碳纳米纤维薄膜；纳米管或碳纳米纤维薄膜；成本较低，对环境的污染也非常小。成本较低，对环境的污染也非常小。可以实现大批量合成。可以实现大批量合成。燃烧火焰法燃烧火焰法高压一氧化碳法(HiPCo)由于碳氢化合物在由于碳氢化合物在700C下容易形成下容易形成无定型碳，给后期无定型碳，给后期分离出分离出CNT带来一带来一定的困难。因为，定的困难。因为，用用CO代替代替H-C化合化合物，用物，用Fe(CO)5做做催化剂的反应就诞催化剂的反应就诞生了生了J.Vac.Sci.Technol.A 19,1800 1805(2001)化学气相沉积法

17、化学气相沉积法(CVD)(CVD)CVD 方法利用热分解含碳化合物，在金属催化剂作用方法利用热分解含碳化合物，在金属催化剂作用下，下，合成碳纤维。合成碳纤维。常用的碳氢化合物包括甲烷、一氧化碳、常用的碳氢化合物包括甲烷、一氧化碳、苯苯等，而金属催化剂包括过渡金属等，而金属催化剂包括过渡金属(Fe、Co、Ni 及及Mo 等等)以及它们的氧化物。以及它们的氧化物。CVD 法具有设备简单、条件易控、能大规模制备、可法具有设备简单、条件易控、能大规模制备、可以直接生长在合适的基底上等优点。以直接生长在合适的基底上等优点。与其他方法相同，单层碳纳米管的生长需要金属催与其他方法相同，单层碳纳米管的生长需要

18、金属催化剂，不同的催化剂也会对单层碳纳米管的生长产生一定影化剂，不同的催化剂也会对单层碳纳米管的生长产生一定影响。另外，不同的碳源不仅可以改变单层碳纳米管的生长响。另外，不同的碳源不仅可以改变单层碳纳米管的生长温度，也可以影响单层碳纳米管的产量及结构。温度，也可以影响单层碳纳米管的产量及结构。a)经典的CVD反应炉 c)等离子增强CVD炉b)偏压增强的CVD炉（需要金属催化剂）多壁碳纳米管的制备基本方法与SWNT相似，包括：电弧放电法激光蒸发法CVD法高温分解C-H化合物法双壁碳纳米管电弧放电法Nature 2005,433,476SWNT&MWNT by CVDSWNTMWNT按性能分离CN

19、T当SWNT被制造出来后，其长度、直径和电学性能都不一样。因此，在使用它们之前，我们要根据性能将它们分离出来。常见的分离办法有1.按长度分离。CNT的长度不一样，其质量也会不一样。采用离心法可以分离不同长度的的CNT2.按直径分离。采用某些方法，如光照法，可以将CNT的直径分布限制在某个特定范围内3.某些硝基盐，如NO2BF4 或者NO2SbF6，它只溶解金属性CNT。所以利用溶液法也可以分离（但该办法只适合于直径小于1.1nm的CNT）4.2003年，双向电泳法出现，它是一种能捕捉到80%以上金属性CNT的方法碳纳米管性质简介碳纳米管性质简介碳纳米管的物理性质与它的结构碳纳米管的物理性质与它

20、的结构(如管直径、碳原子排列的螺旋度等如管直径、碳原子排列的螺旋度等)密切相关密切相关碳纳米管的导电性可随其螺旋度的不同而异，可以是金属性的，碳纳米管的导电性可随其螺旋度的不同而异，可以是金属性的，也可以是半导体性的。也可以是半导体性的。碳纳米管还有很独特的热学性质。它具有比普通材料更高的比热、更碳纳米管还有很独特的热学性质。它具有比普通材料更高的比热、更大的热导。大的热导。碳纳米管的热学性质也与其结构密切相关。其比热主要依碳纳米管的热学性质也与其结构密切相关。其比热主要依赖于管的直径和管的长度。赖于管的直径和管的长度。碳纳米管还有非凡的力学性质，表现出很好的柔韧性。可以承受很大碳纳米管还有非

21、凡的力学性质，表现出很好的柔韧性。可以承受很大的拉伸应变。的拉伸应变。随着碳纳米管的粒径减小随着碳纳米管的粒径减小,比表面积增大，作为电极活性材料，比表面积增大，作为电极活性材料，表面增大会降低极化，增大放电容量，因而具有良好的电化学活性。表面增大会降低极化，增大放电容量，因而具有良好的电化学活性。CNT的性能：电学性能当当单壁碳壁碳纳米管米管(n,m)满足足(2nm)/3为整数整数时单壁碳壁碳纳米管表米管表现为金属性，否金属性，否则为半半导体性，体性，(n,n)扶手椅型扶手椅型单壁碳壁碳纳米管米管总是金属性的，而是金属性的，而(n,0)锯齿型型单壁碳壁碳纳米管米管仅当当n是是3的整数倍的整数

22、倍时是金属性的。是金属性的。随螺旋矢量（随螺旋矢量（n,m）不同，）不同，单壁碳壁碳纳米管的能隙米管的能隙宽度可以从接度可以从接近零（金属）近零（金属）连续变化至化至leV（半（半导体）。体）。当当CNTs的管径大于的管径大于6mm时，导电性能下降；当管径小于时，导电性能下降；当管径小于6mm时，时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。电子在碳子在碳纳米管的径向运米管的径向运动受到限制，表受到限制，表现出典型的量子限域出典型的量子限域效效应；而而电子在子在轴向的运向的运动不受任何限制。金属性的碳不受任何限制。金属性的碳纳米管米管在低温下表

23、在低温下表现出典型的出典型的库仑阻塞效阻塞效应。单电子输送特征A.左下图：温度较高时，左下图：温度较高时，关系近似成直线，当关系近似成直线，当温度低于温度低于10K，在直流偏压，在直流偏压=0附近，由于附近，由于库库仑阻塞效应仑阻塞效应曲线出现一平台，当直流偏压低曲线出现一平台，当直流偏压低于使一个电子增加到碳纳米管中所需的电压于使一个电子增加到碳纳米管中所需的电压时，管束将发生单电子输送现象。时，管束将发生单电子输送现象。B.右下图是在右下图是在1.3K时，接触点时，接触点2和和3间管束的电间管束的电导导G和栅电压之间的关系。电导和栅电压之间的关系。电导G随栅电压随栅电压变化而出现振荡峰。（

24、变化而出现振荡峰。（注意中间的峰高注意中间的峰高）Physical World,June,2000,31-36;Science 275,19221925(1997)力学性能碳纳米管还有非凡的力学性质，表现出很好碳纳米管还有非凡的力学性质，表现出很好的柔韧性。可以承受很大的拉伸应变。的柔韧性。可以承受很大的拉伸应变。碳碳纳米管的米管的弹性模量在性模量在1TPa左右以上，左右以上，约为钢的的5倍，与金倍，与金刚石的石的弹性模量几乎相同性模量几乎相同碳碳纳米管的米管的弹性性应变约为5，其断裂，其断裂过程不程不是脆性断裂，具有一定的塑性，能承受大于是脆性断裂，具有一定的塑性，能承受大于40的的应变，理

25、，理论计算的泊松比在算的泊松比在0.150.28之之间AFM测量力学性能3)热学性能热学性能 一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向一维管具有非常大的长径比，因而大量热是沿着长度方向传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。传递的，通过合适的取向，这种管子可以合成高各向异性材料。虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热虽然在管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至交换性能较低。纳米管的横向尺寸比多数在室温至150oC电介电介质的品格振动波长大一个量级，这使得弥散的纳米管在散布声质的品格振动波长大一个量级

26、，这使得弥散的纳米管在散布声子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。适当排列碳子界面的形成中是有效的，同时降低了导热性能。适当排列碳纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。纳米管可得到非常高的各向异性热传导材料。4)储氢性能储氢性能 碳纳米管的中空结构，以及较石墨碳纳米管的中空结构，以及较石墨(0.335nm)略大的略大的层间距层间距(0.343nm)，是否具有更加优良的储氢性能，也成，是否具有更加优良的储氢性能，也成为科学家们关注的焦点。为科学家们关注的焦点。1997年，年，A.C.Dillon对单壁碳纳米管对单壁碳纳米管(SWNT)的储氢的储氢性能做了研究，性能做了研究，SWNT在在0

27、时时,储氢量达到了储氢量达到了5%。DeLuchi指出指出:一辆燃料机车行驶一辆燃料机车行驶500km,消耗约消耗约31kg的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和体的氢气，以现有的油箱来推算，需要氢气储存的重量和体积能量密度达到积能量密度达到65%和和62kg/m3。这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景这两个结果大大增加了人们对碳纳米管储氢应用前景的希望。的希望。CNT的性能小结特性特性单单壁碳壁碳纳纳米管米管比比较较尺寸尺寸直直径径通通常常分分布布在在0.61.8nm间间电电子子束束刻刻蚀蚀可可产产生生50nm宽宽、几几nm厚厚的的线线密度密度1.331.40g/cm3铝

28、铝的密度的密度为为2.9g/cm3抗拉抗拉强强度度45GPa高高强强度度钢钢在在2GPa断裂断裂抗弯性能抗弯性能可可以以大大角角度度弯弯曲曲不不变变形形，回回复原状复原状金属和碳金属和碳纤维纤维在晶界在晶界处处破裂破裂载载流容量流容量估估计计1GA/cm2铜线铜线在在1000kA/cm2时时即即烧烧毁毁场发场发射射电电极极间间隔隔1 m时时，在在13V可以激可以激发荧发荧光光钼钼尖尖端端发发光光需需要要50100V/m，且且发发光光时间时间有限有限热传导热传导室温下有望达到室温下有望达到6000W/(mK)金金刚刚石石为为6000W/(mK)温度温度稳稳定定性性真空中可真空中可稳稳定至定至28

29、00空气中可空气中可稳稳定至定至750微微芯芯片片上上的的金金属属导导线线在在6001000时时熔化熔化CNT的可能应用领域尺度范尺度范围围领领域域应应用用纳纳米技米技术术纳纳米制造技米制造技术术扫扫描描探探针针显显微微镜镜的的探探针针，纳纳米米类类材材料料的的模模板板，纳纳米米泵泵，纳纳米管道，米管道，纳纳米米钳钳，纳纳米米齿轮齿轮和和纳纳米机械的部件等米机械的部件等电电子材料和器件子材料和器件纳纳米米晶晶体体管管，纳纳米米导导线线，分分子子级级开开关关，存存储储器器，微微电电池池电电极，微波增幅器等极，微波增幅器等生物技生物技术术注射器，生物注射器，生物传传感器感器医医药药胶囊（胶囊（药药

30、物包在其中并在有机体内物包在其中并在有机体内输输运及放出）运及放出）化学化学纳纳米化学，米化学，纳纳米反米反应应器，化学器，化学传传感器等感器等宏宏观观材料材料复合材料复合材料增增强强树树脂脂、金金属属、陶陶瓷瓷和和炭炭的的复复合合材材料料，导导电电性性复复合合材材料料，电电磁屏蔽材料，吸波材料等磁屏蔽材料，吸波材料等电电极材料极材料电电双双层电层电容（超容（超级电级电容），容），锂锂离子离子电电池池电电极等极等电电子源子源场发场发射型射型电电子源，平板子源，平板显显示器，高示器，高压荧压荧光灯光灯能源能源气气态态或或电电化学化学储氢储氢的材料的材料化学化学催化催化剂剂及其及其载载体，有机化学

31、原料体，有机化学原料碳纳米管应用简介碳纳米管应用简介p在近年来极为活跃的纳米电子学技术领域，碳纳米管以其优异的导体和在近年来极为活跃的纳米电子学技术领域，碳纳米管以其优异的导体和半导体性质，被认为是最重要的纳米电子器件和纳米集成电路的器件材半导体性质，被认为是最重要的纳米电子器件和纳米集成电路的器件材料之一。料之一。p碳纳米管高强度、高弹性。碳纳米管高强度、高弹性。碳纳米管的直径长度比很大，一般情况下，碳纳米管的直径长度比很大，一般情况下，长度都是直径的几千倍，远远大于普通的纤维材料；它的强度比钢高约长度都是直径的几千倍，远远大于普通的纤维材料；它的强度比钢高约 100 倍，而重量仅仅为钢材料

32、的六分之一，有可能成为一种新型的高强倍，而重量仅仅为钢材料的六分之一，有可能成为一种新型的高强度碳纤维料度碳纤维料。p良好的热传导等机械特性，使得它在纳米机电系统中的应用中，也扮演良好的热传导等机械特性，使得它在纳米机电系统中的应用中，也扮演着重要角色，如纳米继电器、纳米开关、纳米振荡器，以及被两院院士着重要角色，如纳米继电器、纳米开关、纳米振荡器，以及被两院院士评为评为2003年十大科技进展新闻之首的纳米电动机等年十大科技进展新闻之首的纳米电动机等。由于碳纳米管有着奇异的特性，因此近十年来人们在由于碳纳米管有着奇异的特性，因此近十年来人们在其应用方面做了大量的研究，特别对于单层碳纳米管，其应

33、用方面做了大量的研究，特别对于单层碳纳米管，在显微技术、微电子器件、纳米材料制造、纳米机械、在显微技术、微电子器件、纳米材料制造、纳米机械、电极材料、储氢等方面的应用前景十分广阔。电极材料、储氢等方面的应用前景十分广阔。在合成新材料中的应用在合成新材料中的应用碳纳米管可以用作模板来制备新型一维材料。碳纳米管可以用作模板来制备新型一维材料。p利用碳纳米管的毛细性质利用碳纳米管的毛细性质,可以将某些元素装入碳纳米管内，可以将某些元素装入碳纳米管内，制成具有特殊性质制成具有特殊性质(如磁性、超导性如磁性、超导性)的一维量子线。的一维量子线。p由于碳纳米管可以承受重击，所以它是很好的装甲和防弹衣由于碳

34、纳米管可以承受重击，所以它是很好的装甲和防弹衣的材料。的材料。p可以对碳纳米管进行包覆，从而得到新型的一维复合材料。可以对碳纳米管进行包覆，从而得到新型的一维复合材料。p可作为金属的增强材料来提高金属的强度、硬度、耐磨擦、可作为金属的增强材料来提高金属的强度、硬度、耐磨擦、磨损性能以及热稳定性。磨损性能以及热稳定性。p同时碳纳米管可以用作反应媒介，在一定条件下转化成新类同时碳纳米管可以用作反应媒介，在一定条件下转化成新类型的一维纳米材料。型的一维纳米材料。碳纳米管储氢碳纳米管储氢碳纳米管也是很好的贮氢材料，碳纳米管是直径非常细的中空管状纳米材料，它能够大量地吸附氢气，成为许多个“纳米钢瓶”。研

35、究表明，约2/3的氢气能够在常温常压下从碳纳米管中释放出来。碳纳米管储氢可能用作新型汽车的能源。据预测，到2010年，就可以生产出氢气汽车，只需携带1.5升左右的储氢纳米碳管，即可行驶500km。在微电子学中的应用在微电子学中的应用p1998 1998 年年,研研究究人人员员首首光光用用单单根根单单层层碳碳纳纳米米管管做做出出了了场场效效应应晶晶体体管管。发发现现：两两个个电电极极之之间间放放置置一一半半导导体体性性碳碳纳纳米米管管，流流经经此此管管的的电电流流受受到到附附近近的的另另一一电电极极电电压压的的控控制制，表表现现出出明明显显的的三三极极管管效效应应。并并且且这这个个三三极极管管可

36、可以以在在常温工作。常温工作。p1999 1999 年年,实实验验上上证证实实：如如果果碳碳纳纳米米管管管管壁壁上上存存在在五五元元环环七七元元环环对对，则则此此两两端端碳碳纳纳米米管管的的手手性性不不同同，从从而而表表现现出出金金属属-半半导导体体连连接接.这这种种连连接接可可以以用用作整流二极管。作整流二极管。p另外一种途径是利用碳纳米管力学性能与电输运性能之间的联系来调节另外一种途径是利用碳纳米管力学性能与电输运性能之间的联系来调节其性能其性能:如用如用SPM SPM 针尖使碳纳米管发生形变从而使其电性能发生变化。针尖使碳纳米管发生形变从而使其电性能发生变化。在微电子学中人们一直设想能否

37、用单个的分子来做为器件的组员，因在微电子学中人们一直设想能否用单个的分子来做为器件的组员，因为单分子组员将会是集成电路的极限。碳纳米管的电子输运性能的研为单分子组员将会是集成电路的极限。碳纳米管的电子输运性能的研究使这个问题的解决出现了希望。究使这个问题的解决出现了希望。纳米机械的应用纳米机械的应用碳纳米管的纳米尺度、高强度和高韧性特征，使得它可以广泛应用于微米甚至纳米机械。p 在纳米机械方面在纳米机械方面,已经制成了纳米秤。已经制成了纳米秤。纳米秤与悬挂的钟摆相似，弯曲常数是已知的。纳米秤与悬挂的钟摆相似，弯曲常数是已知的。通过测量振动频率，可以测出粘结在悬臂梁一端通过测量振动频率，可以测出

38、粘结在悬臂梁一端的颗粒的质量。的颗粒的质量。p 碳纳米管还可以用于碳纳米管还可以用于扫描探针显微镜扫描探针显微镜(SPM)(SPM)的的探针探针针尖针尖，并具有以下优点，并具有以下优点:(1)(1)碳纳米管化学活性低、机械强度大碳纳米管化学活性低、机械强度大.(2)(2)碳纳米管长径比大碳纳米管长径比大,头部形状规则头部形状规则.(3)(3)碳纳米管探针不易断裂碳纳米管探针不易断裂.(4)(4)碳纳米管探针可以探测生物表面碳纳米管探针可以探测生物表面.其它的应用其它的应用p单单层层碳碳纳纳米米管管可可以以用用作作传传感感器器。当当半半导导体体性性的的单单层层碳碳纳纳米米管管暴暴露露于于含含有有

39、 NO2 NO2 或或NH3 NH3 的的气气氛氛中中时时，其其导导电电性性会会发发生生急急剧剧变变化化。通通过过这这种种效效应应，可可以以探探测测这这些些气气体体在在某某些些环环境境中中的的含含量量。这这种种传传感感器器的的灵灵敏敏度度要要远远远远高高于于现现有有室室温温下下的的探探测测器器，经经过过加加温温或或在在大大气气气气氛氛中中存存放放一一定定时时间间可可使使传传感感器作用恢复器作用恢复 。p单层碳纳米管的电性能与氧气的吸附有很大的关系。当单层碳纳米管暴单层碳纳米管的电性能与氧气的吸附有很大的关系。当单层碳纳米管暴露于空气或氧气中时，半导体性的碳纳米管可以转变为金属性的碳纳米露于空气

40、或氧气中时，半导体性的碳纳米管可以转变为金属性的碳纳米管，这不仅说明碳纳米管可以用做传感器，也表明原来在空气中测量到管，这不仅说明碳纳米管可以用做传感器，也表明原来在空气中测量到的碳纳米管性能不是其本征特性，而很可能与氧气有关。的碳纳米管性能不是其本征特性，而很可能与氧气有关。p碳纳米管形成的有序纳米孔洞厚膜有可能用于锂离子电池，在此厚膜孔碳纳米管形成的有序纳米孔洞厚膜有可能用于锂离子电池，在此厚膜孔内填充电催化的金属或合金后可用来电催化分解和甲醇的氧化。内填充电催化的金属或合金后可用来电催化分解和甲醇的氧化。碳纳米材料的结构和化学键碳原子的核外电子层结构碳原子的核外电子层结构:1s22s22

41、p2可能的三种杂化形式可能的三种杂化形式：sp、sp2和和sp3（spn杂化）杂化）以共价键方式结合以共价键方式结合：单键单键,双键和叁键双键和叁键原子可按链型、环形、网状等互相形成各类结构碳材料原子可按链型、环形、网状等互相形成各类结构碳材料存在各种形态的原因存在各种形态的原因化学键化学键CNT的能带结构CNT的直径很小，可视为准一维分子线，它具有很强的量子效应同时，它又是由石墨烯弯曲而成，因此它除了具有类似于二维的石墨烯性质外，又会有很多自身的特殊结构a)石墨烯的第一布里渊区图。石墨烯的第一布里渊区图。下图为能带结构及态密度下图为能带结构及态密度b)半导体性半导体性CNTm-n3qc)金属

42、性金属性CNTm-n=3qChem.Phys.Chem.2004,5,619 624CNT的导电原理Science 1998,280,1744 1746CNT导电性测量装置导电性测量装置a)CNT的导电能力随着温度的升高而下降。这是因为声子散射在电导中的作用的导电能力随着温度的升高而下降。这是因为声子散射在电导中的作用温度升高时，由于热激发的作用，声子散射效率变得更高了温度升高时，由于热激发的作用，声子散射效率变得更高了b)CNT的电导率随着杂质原子或者缺陷的增加而降低的电导率随着杂质原子或者缺陷的增加而降低c)CNT的电导是量子化的的电导是量子化的d)当在当在CNT上加一个持续增大的电压源时

43、，电流不是线性增加的，而是呈台阶上加一个持续增大的电压源时，电流不是线性增加的，而是呈台阶状逐步上升的状逐步上升的e)CNT中的电子输运为弹道式输运中的电子输运为弹道式输运CNT的场发射优点包括：优点包括：a)低温低电场下可发射电子。普通低温低电场下可发射电子。普通的材料电场强度需要达到几千伏的材料电场强度需要达到几千伏每微米，或者要上千度的高温，每微米，或者要上千度的高温，而而CNT只需要几伏每微米。只需要几伏每微米。b)普通材料由于尖端受到离子轰击普通材料由于尖端受到离子轰击或者高电流密度的加热，其尖端或者高电流密度的加热，其尖端容易钝化，导致发射效应消失。容易钝化，导致发射效应消失。而而

44、CNT即使尖端被消耗掉，其剩即使尖端被消耗掉，其剩余部分的性能跟初始尖端性能一余部分的性能跟初始尖端性能一致，还是可以继续发射致，还是可以继续发射CNT的拉曼特性CNT的拉曼谱包含两个特征峰，G带和D带G带与CNT的尺寸有关，而与它的手性无关D带与CNT的缺陷有关J.Am.Chem.Soc.2004,126,6095 6105CNT的基本化学反应CNT可能发生的官能化发应有：可能发生的官能化发应有：1.在尾端或者中间接一些官能团分子在尾端或者中间接一些官能团分子2.在外面包裹一些聚合物或者生物分子在外面包裹一些聚合物或者生物分子3.在管内插入一些原子或者分子在管内插入一些原子或者分子缺陷增强反

45、应能力如果CNT的侧壁上出现结构缺陷，它的反应能力将增强左图是7-5-5-7型缺陷右图是7-5型缺陷，一上一下将导致CNT弯曲，且在五边形处容易发生反应CNT内壁的作用结构束缚由于由于CNT的尺寸非常小，的尺寸非常小，当原子被束缚在内部的当原子被束缚在内部的时候，它们容易形成与时候，它们容易形成与无束缚时完全不同的结无束缚时完全不同的结构。构。(a)碘化钾在碘化钾在CNT内部结构内部结构的示意图的示意图(b)在直径为在直径为1.4nm的的SWNT中碘化钾的高分中碘化钾的高分辨电镜照片辨电镜照片(c)d=1.6nm是是KI的结构图的结构图(d)Sb2O3在在SWNT的结构的结构Acc.Chem.

46、Res.2002,35,1054 1062CNT的内壁对能量也有束缚作用。它的这种束缚作用有点像催化作用。也就是说，在外界中不能进行的化学反应在CNT内有可能发生。(a)C60渗透到SWNT内部后会发生合并，然后在一定条件下会形成双壁CNT包裹有金属原子的富勒烯分子也容易在CNT内发生反应。而且反应后的金属原子会部分氧化CNT内壁的作用内壁的作用能量束缚能量束缚J.Am.Chem.Soc.2001,123,9673 9674CNT的应用及前景用作用作AFM的针尖的针尖上图是用上图是用CNT作为作为AFM的针尖，其的针尖，其制作的过程包括以下三步：制作的过程包括以下三步：(a)将单壁将单壁CNT

47、分离出来分离出来(b)将将CNT焊接到镀金的常规针尖焊接到镀金的常规针尖上上(c)有时还可以在尾端接一些官能有时还可以在尾端接一些官能团分子团分子下图下图CNT有几个有点，比如小的直径，有几个有点，比如小的直径，高强度和长度大等。因为，在高强度和长度大等。因为，在普通的针尖不能探测的部分，普通的针尖不能探测的部分，用用CNT能探测到精确的表面结能探测到精确的表面结构构碳纳米管的结构描述碳纳米管的结构描述Ch=n a1 +m a2 Ch碳纳米管可看成是由二维石墨片层卷曲而成的，其卷曲方向的不同形成不碳纳米管可看成是由二维石墨片层卷曲而成的，其卷曲方向的不同形成不同结构的碳纳米管，表现出不同的电学

48、性质。同结构的碳纳米管，表现出不同的电学性质。碳纳米管的结构描述碳纳米管的结构描述为何n-m和3q石墨烯的结构很特殊，它是由六个向下的轨道（石墨烯的结构很特殊，它是由六个向下的轨道（-pz）围着一个向上的轨道（）围着一个向上的轨道（+pz）。根据原子轨道线性叠加理论。根据原子轨道线性叠加理论（LCAO）及石墨烯的特殊结构，当两个相同的轨道由于卷曲石墨烯而重合时，它的周期性将不会改变。根据）及石墨烯的特殊结构，当两个相同的轨道由于卷曲石墨烯而重合时，它的周期性将不会改变。根据Woodward-Hoffmann理论，在费米能级上将存在允态，正如图（理论，在费米能级上将存在允态，正如图（a）所示。但

49、如果一个向上的和一个向下的发生重叠，）所示。但如果一个向上的和一个向下的发生重叠，则会出现带隙，如图（则会出现带隙，如图（b）所示。而）所示。而n-m及及3q刚好是刚好是pz周期性结构的表征。（周期性结构的表征。（q为非负整数）为非负整数）Chem.Phys.Chem.2004,5,619 624碳纳米管的生长机制碳纳米管的生长机制 碳纳米管生长机制示意图碳纳米管生长机制示意图(开口端吸附开口端吸附C2原子簇和原子簇和C3原子簇由黑色球链表示原子簇由黑色球链表示)开口生长模型：碳纳米管在生长过程中，其顶端是开放的，随着碳开口生长模型：碳纳米管在生长过程中，其顶端是开放的，随着碳原子不断加入到其

50、开口端而导致其生长。原子不断加入到其开口端而导致其生长。如果碳纳米管是手性的，则在活性悬链键边缘会吸附如果碳纳米管是手性的，则在活性悬链键边缘会吸附C2C2碳原碳原子簇，并在开口端增加一个碳六边形，连续增加的子簇，并在开口端增加一个碳六边形，连续增加的C2C2碳原子簇碳原子簇将导致手性碳纳米管的不断生长，最终形成完整将导致手性碳纳米管的不断生长，最终形成完整 封闭的结构。封闭的结构。不规则结构的碳纳米管不规则结构的碳纳米管碳纳米管表面的结构主要以碳纳米管表面的结构主要以六边形为主，在产生拓扑缺六边形为主，在产生拓扑缺陷的位置会出现五边形或七陷的位置会出现五边形或七边形。边形。实验观察到碳纳米管