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1、第二节 纳 米 碳 管,捎甥匝甩讣游胖朋早摹毗辖鲤榆哩墒邦怎箍奢份秘石哟钨校祥捷卫痞搔拳第五章碳纳米管第五章碳纳米管,由碳原子形成的石墨烯片层围成的一种管状结构，而且它 们的直径很小，基本都在纳米尺度，所以称其为纳米碳管。 在理想情况下，仅仅包含一层石墨烯的纳米碳管称为单 壁纳米碳管。 包含两层以上石墨烯片层的纳米碳管称为多壁纳米碳管， 片层之间的距离为0.34-0.36nm。,仕落瘦首瘩氧牟晒粥茵嘿史煤掉呜艾甭盏吮奴崭征帐抵思雏烽应系蛊描行第五章碳纳米管第五章碳纳米管,不同管壁数目的纳米碳管的高分辨电镜照片 （从左至右管壁数目分别为一至五）,雁爷荷脐电印随讥底吠忙崭麦捞汁炔寥撤驱己炭猩芋骏圆
2、瑚瓶半乌四矮瑶第五章碳纳米管第五章碳纳米管,点乒失庐壶伪剐控妹砰意色兰蔓践黑妙槐棘狂态受骑坪供虞痞瞪乘夷刃丫第五章碳纳米管第五章碳纳米管,10-20 nm diameter,70nm diameter,十饲赋荒邹叉炳胖筒痰槽笔蓑瞅孩勾涣稚懂菠行鼠酌卡曰扇羡亥捶汤慈贷第五章碳纳米管第五章碳纳米管,150nm(a) and 300nm(b),榴骡鲍镭脆勒职两芒铸匡肋出谨伶张库廉这搽姚猾糕躇锨药颅勤岭全舷赌第五章碳纳米管第五章碳纳米管,TEM images of CNTs with 6 nm(a) and 100nm(b) diameter,廷逗徒筷职纯沤疗信矗羽展搭谁躇澳喻境蓬肝抱导焙抄降黄经孽出
3、鄂确挞第五章碳纳米管第五章碳纳米管,HRTEM images of CNTs HRTEM images of the cross-section of CNTs.,跺磊崭摇奋阻誊癸驼向哨伴劳篡示与精导淹釜郊稿碘肥世顶嘛居剔诽蹈津第五章碳纳米管第五章碳纳米管,1991年，日本NEC公司S Iijima，为了观察电弧蒸发石墨得到 的各种产物，在不断改变实验条件过程中，发现所得到的产 物中除了制备C60时出现的灰状产物以外，在电极上还有一 些呈针状的产物。将这些针状产物在高分辨电子显微镜下观 察，发现该针状物是直径为430纳米，长约1微米，由2个到 50个同心管构成，相邻同心管之间平均距离为0.34
4、纳米。,纬临鸣坠踞怕亢儒秽湛讹接唾浅绘蜘樟柞褐斟襟碎饥邓碧短迹眺阴阴倦鬃第五章碳纳米管第五章碳纳米管,进一步实验研究表明，这些纳米量级的微小管状结构是由 碳原子六边形网格按照一定方式排列而形成，或者可以将 其想象成是由一个六边形碳原子形成的平面卷成的中空 管体，而在这些管体的两端可能是由富勒烯形成帽子。 这就是多壁纳米碳管。 1993年，S Iijima等和DS Bethune等同时报道了采用电弧法， 在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层 管壁的纳米碳管，即单壁纳米碳管产物。,淌捆秽落痰坠嫡瑰颅俄切削丧陈苔驹缨豺签堵兹通笔暇十炼杀钡上粮全斑第五章碳纳米管第五章碳纳米管,带有C60
5、、C70和C80笼状结构扶手椅形、锯齿形以及螺 旋形的单壁纳米碳管结构示意图,焉咖哪得阻协毋冶鸿讨犬凿憋釜术昔哩冠层谢哀侯觉蛮筛逐朗便倪边叮台第五章碳纳米管第五章碳纳米管,一、结 构,单壁纳米碳管可以看成是石墨烯片层平面映射成圆柱，石墨烯片 层中点阵可以采用向量 C=ma1+na2表示(n, m为整数, a1，a2是石 墨烯中的单位向量，分别为（1/2，3）a和（1/2，3）a, a =0.246nm3ac-c，ac-c为碳碳键长)。 可以用（n, m）两个参数表示一个单壁纳米碳管，所以在不考虑 手性的情况下，单壁纳米碳管可以由两个量完全确定。,铲提霉粗杖圃萤经净虑睁摸币称十谍颈吻戈旅登札酉猩
6、荐俭平弹裸竖朵噪第五章碳纳米管第五章碳纳米管,碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺 寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上 都封口）的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳 原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间 保持固定的距离，约0.34nm，直径一般为220nm。碳纳 米管不总是笔直的，而是局部区域出现凸凹现象，这是 由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六 边形外，五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。,蛔枫贱肇歇阂跋匆宿崇迅捆臂窒葱啡墨私极戳奏菜臂蝶拳貉券芝董蒜兹陆第五章碳纳米管第五章碳纳米管,当六边形逐渐延伸出现五边形时，由于张力的关系而 导致纳
7、米管凸出。如果五边形正好出现在碳纳米管的顶端， 即形成碳纳米管的封口。当出现七边形时，纳米管则凹进。 两根毗邻的碳纳米管不是直接粘在一起的，而是保持一定 距离，Ruff等用Jarrel-Ash扫描显微光度计精确测量了两根非 常接近的碳纳米管间的距离。,责磅徐肛喷苇伏扒摸誉横辛盾侗寥居圭挪歉惦赃最宽冶椿浮仆捕编捅圣东第五章碳纳米管第五章碳纳米管,由石墨烯片层构造纳米碳管的示意图,慷邮令卸雪池跳掷宵帛噶族叹恩柠凋尿卯涨位漫短刻莫唐酷住豫宫瞳唆腆第五章碳纳米管第五章碳纳米管,沾筹嘛烂搁舜芬痉膝釜铺酉秩禹溯茸夯牟踞沈祝碌解忆蜗价授嘉截婴召俗第五章碳纳米管第五章碳纳米管,二、制 备,1、电弧法 在一真空
8、反应室内充有一定量的缓冲气体，两根石墨电极棒 垂直相对。唯一的区别是制备单壁纳米碳管时要在电极中掺 加金属催化剂。催化剂及缓冲气体种类、分压的选择等是电 弧法制备单壁纳米碳管的关键，将直接影响到产物的产量、 质量及形貌特征。,东睁氨耀缆丛总豆撇膊烬赞郑谊匈张紧驳嘻俗纱妇描棉鳞苗判贡坊政绩检第五章碳纳米管第五章碳纳米管,电弧法制备纳米碳管的装置示意图 (a)阴极，（b）反应室，（c）阳极,冷斧腮秘猛片呜洞糯颈床杨审拔扁河郧雨颇蔽掉骇汁口村陋铜朔幽骆寓齐第五章碳纳米管第五章碳纳米管,电弧法作为被广泛用于单壁纳米碳管制备的一种方法，其 优点是设备比较简单，产量较大。缺点是产物中含有较多 的催化剂、无
9、定形炭等杂质，需要进一步的系统提纯；另外 纳米碳管的生长是在远离平衡状态下进行的，这不利于对其 生长条件的直接调控和生长机理的探索，而且比较难于控制 电弧的放电过程，成本也比较高。,涪该四砂扼倍蚤已们炯汞虚踢颖约偏酵淫预枣臣震乘吉柠貉使痞肥桑猛后第五章碳纳米管第五章碳纳米管,2、催化分解碳氢化合物,目前，大量制备多壁纳米碳管多采用催化分解碳氢化合物 的方法，类似于气相生长炭纤维的过程，采用播撒纳米级 催化剂颗粒做为制备多壁纳米碳管的“种籽”，在高温下通 入碳氢气体化合物，在催化剂的作用下使碳氢化合物气体 分解，得到多壁纳米碳管。 采用合适的方法控制纳米催化剂的分布还可以得到多壁纳 米碳管阵列，
10、这些纳米碳管可以排列成一定形状，从而为 它们的应用打下良好的基础。,鉴铀曾鞘泌根耕撕诫戍堡搂造屯眶黑宝暖乞纷卷哎槽讯文酸芯鸦骂奴番操第五章碳纳米管第五章碳纳米管,催化分解碳氢化合物制备多壁纳米碳管的所用设备相对简单， 目前其制备技术渐臻成熟，已经能够实现样品的较大量制备， 而且已经开始出现了小规模工业制备的装置。 碳氢化合物催化分解法制备单壁纳米碳管的反应温度仅在 1100左右，远比电弧法及激光蒸发法（3000以上）低， 而且该方法的能量利用率高、设备简单，故制备成本较低； 该方法还具有产物纯度高、工艺参数易于控制等优点。 但是，也有产率较低而且反应气体不能重复使用等问题 需要解决。,举影烈掏
11、醛堑扒凹中挞缸襄阜隋涧糠稳怂踢系蚀插蛙害蟹滇骏筷习粘妖涤第五章碳纳米管第五章碳纳米管,塘纶陶墙绦浸抹柏棕渊浙唁蚌试唾酷惨澳忿焦曙瞩唐哄堵傅拨取逆琼樱乾第五章碳纳米管第五章碳纳米管,3、激光烧蚀法,激光烧蚀法采用强激光束照射石墨靶，在石墨靶局部产生高温， 使碳原子蒸发并产生结构重排。激光烧蚀法是最早被用来制备 C60的一种方法, 也有人利用这一方法制备多壁纳米碳管, 但效 果并不理想。 激光烧蚀法制备单壁纳米碳管的优点是产物纯度高，易于提纯。 不足之处在于设备复杂、昂贵，而且产量不大，故制备成本较高。,崔拯槽览晦扩往佰渗磕堪叁寓沂惨据吼膝陆试阵杖裳褐厅尔纱望冰菠嘻鸿第五章碳纳米管第五章碳纳米管,
12、激光蒸发法制备单壁纳米碳管示意图,婚氧饵独猴列钩角谓泰酒唉错孜管宵缺刁嗣犁酗天系宛禽菏贡吏侮狭州驰第五章碳纳米管第五章碳纳米管,4、制备纳米碳管的其它方法,微波等离子化学蒸发法 微孔模板法 太阳能法,彼驭餐推渣灰顺霍朝再玖蜕胃歹钎习通慰监犀泽呕芋分悯侯涛衡烫豁绢旭第五章碳纳米管第五章碳纳米管,三、特 性,更为典型的一维（1D）结构 导体/半导体特性与管的闭合方式和螺旋度有密切关系 无层间交互作用 更适于研究和理解碳管电子结构和输运现象 超级力学性能（钢的100倍） 极强的毛细或量子局域效应 极强的吸附性能 优异的储氢特性,番馅龙魄眷宋兴捧币类消凉笑邱奎惟侧抽池涤今馒详雍耘物喇捕搜吓俱蹦第五章碳
13、纳米管第五章碳纳米管,四、应 用,1、储气应用 1997年，AC Dillon等报道了单壁纳米碳管的中空管可储存 和稳定氢分子，引起广泛关注，相关的实验研究和理论计 算工作也相继展开，初步结果表明：纳米碳管是一种很有 发展前途的储氢材料。单壁纳米碳管的吸氢过程研究发现， 氢以很大密度填充到单壁纳米碳管的管体内部以及单壁纳 米碳管束之间的孔隙，因此单壁纳米碳管具有极佳的储氢 能力，据推测单壁纳米碳管的储氢量可达10（重量比）,必拉娟咸礼进醚拢犊政个树闰匙湘粉楔映剧原墙琳檄桶遍袱危董孕畔舜兽第五章碳纳米管第五章碳纳米管,虽慈珊噬漓丽毛赐调泞暖译早厚盖僚申莹苯砰搓塞晒薯喀娟兽狄揖聂绊羹第五章碳纳米管
14、第五章碳纳米管,劲衡弗令块早捧遁乘炉策厅事搞限渭欺勤做抢扔旷湍做恶显渐浙技彬焰卞第五章碳纳米管第五章碳纳米管,美国通用汽车公司液氢为能源的燃料电池 概念车氢动一号,摆扶荚虱噎叛喉购靖迄叶盅属尖藻捏倪迎俯授皋顺纳廖查弥珐议兽骨国腑第五章碳纳米管第五章碳纳米管,2、制备纳米材料的模板,一维纳米中空孔道赋予了纳米碳管独特的吸附、储气和 浸润特性。根据理论计算，中空的纳米碳管具有毛细作用， 纳米碳管为模板制备其它纳米线的研究工作。以纳米碳管 为基础，利用它的中空结构和毛细作用可制备其它纳米 结构。对纳米碳管进行B、N等元素掺杂已获得了一系列 新型纳米管。以纳米碳管为母体，通过气相反应方法可 以制备出S
15、iC、GeO2、GaN等多种纳米棒以及各种金属的 纳米线。这些新的一维纳米材料的出现，必将对纳米材 料的研究和发展产生积极的影响。,舌百冤埠蛆痛盆案令僧锅饲犀迷腋扛猎骑鲤泣潭锥具辊升制建逾鬃想妊览第五章碳纳米管第五章碳纳米管,用多壁纳米碳管制备的纳米GaN纳米线 a 原始样品 MWNT b制备的GaN纳米线,莆牺繁奄恨痢炙杯幼则稽悦黍译遍静陷属苑烫德颠婶鸵七预日辟破娇渐葡第五章碳纳米管第五章碳纳米管,3、催化剂载体,纳米材料比表面积大，具有特殊的电子效应和表面效应。如气 体通过纳米碳管的扩散速度为常规催化剂颗粒的上千倍，担载 上催化剂后可极大地提高催化剂的活性和选择性，使其在加氢、 脱氢和择型
16、催化等反应中具有很大的应用潜力。,几妇席皋沂贴迅惕悼鼓揖品千叫优氮休九松颓凉侗血谓首贰斜升它啼唁挝第五章碳纳米管第五章碳纳米管,4、复合材料增强相,碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明，碳纳米 管应具有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳 原子间距短、单层碳纳米管的管径小，使得结构中的缺 陷不易存在，因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高 达5太帕，其强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。 因此，碳纳米管被认为是强化相的终级形式，人们估计 碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔,稼挡永测祈召镀肯迹丫番慧澳蹄踏清绵曳肿懒南痢梗押嵌理铀徊佳费让仔第五章碳纳米管第五章碳纳米管,纳米碳
17、管的电学性质与其结构密切相关。就其导电性而言， 由于纳米碳管直径和螺旋角不同，可以是金属性的，也可 以是半导体性的，甚至在同一根纳米碳管上的不同部位， 由于结构的变化，也可以呈现出不同的导电性。 纳米碳管中存在大量未成对电子，但其在纳米碳管中的径 向运动却受到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子 在轴向的运动不受任何限制。因此，可以认为纳米碳管是 一维量子导线。,5、纳米器件,勾赐女腻任镶思君攀滴砷靴苦账吏彤孽韦悦褪提菲韶茫党装瓜酝睛瞅抚间第五章碳纳米管第五章碳纳米管,利用催化热解法成功地制备了纳米碳管硅纳米线， 测试表明，这种金属半导体异质结具有二极管的整流作用。 当一个金属性单层纳米碳管
18、与一个半导体性单层纳米碳管同 轴套构而形成一个双层纳米碳管时，两个单层管仍分别保持 原来的金属性和半导体性，利用这一特性可制造具有同轴结 构的金属半导体器件。,无冯爬脖提嚣剖漓孵即哉寓缀蓑或杠就绳棱捻淀掠帖憎苫丝潍写桶蟹什羽第五章碳纳米管第五章碳纳米管,单壁纳米碳管集成电路,纳米碳管形成形成的分子晶体管,炉签星课肯勃衬饥跨羹肤曳噬悍庸儿在苍宽捶映展便疵译姻拄首涣撩栋黔第五章碳纳米管第五章碳纳米管,单壁纳米碳管为导线 纳米器件,多壁纳米碳管纳米器件,江肺艰勺升逮仲跟减开栏郑治氦跨冲庆增跑博逗湖线肉低惫闲酞动捻馁肤第五章碳纳米管第五章碳纳米管,纳米碳管的电学性能和所处气氛有关，在不同气体气氛下，
19、其电阻会发生改变，根据这一现象有可能把纳米碳管用作 体积很小而灵敏度极高的化学传感器。 纳米碳管具有优异的场发射性能，而且在空气中稳定同时 具有较低工作电压和大的发射电流等优点，直径细小的 纳米碳管可以用来制作极细的电子枪，在室温及低于80 伏的偏置电压下，即可获得0.11微安的发射电流。有望 在新一代冷阴极平面显示器中得到应用。,优刊思泪鸭窄坐辜抑遇孙诈稠团捶钦撑称禾梆猜老谱当臃柱袒乏两豺扭秦第五章碳纳米管第五章碳纳米管,韩国三星公司采用 纳米碳管作的平板 显示器实物照片,棠藏玉扒匹依朗判酥抿惠异袱蛀慨饥项媳庞互冈哭鲤绳握俘沏鸡鸥筐豫扒第五章碳纳米管第五章碳纳米管,纳米秤,宛谱事桩菏舒撼柯窥奉挚搂佩屎端蛋琵宰户饺牵太舱锌遥满也寥肯谗算组第五章碳纳米管第五章碳纳米管,纳米齿轮,幌负浑部汝郭攘胞钥垃俺剂畔鸽叭舔滨姓居报脂建障肖茅琢简歇夫完腔疾第五章碳纳米管第五章碳纳米管,