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发信人: xiaogua (小瓜), 信区: material
标  题: 碳纳米管
发信站: 听涛站 (Thu Nov 30 22:47:39 2000), 转信

神奇的碳纳米管
碳纳米管是在用电弧法制备C60时发现的。随后，确认了碳纳米管的结构，发现了碳
纳米
管的许多奇特的性质，使得碳纳米管成为新的一维纳米材料的研究热点。
碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的、中空的"微管"，分为单层管
和多
层管。多层管由若干个层间距约为0.34纳米的同轴圆柱面套构而成。碳纳米管的径
向尺
寸较小，有的只有1纳米左右。而碳纳米管的长度一般在微米量级，相对其直径而言
是长
的。因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳米材料。
对碳纳米管的性能，特别是电学性能和力学性能的研究，已有许多理论计算结果。
但是
由于多层碳纳米结构的复杂性，大多数理论计算都是以单层碳纳米管为研究对象来
进行
的。虽然大量的理论计算表明，碳纳米管具有电学、力学、光学等方面的许多奇特
性质
，但从实验上验证这些却十分困难。这主要是因为碳纳米管的尺寸太小，难以用常
规实
验手段对其进行测试。尽管重重，实验研究仍然取得了许多很有价值的成果。
及其应用前景
奇异的导电性
碳纳米管的性质与其结构密切相关。就其导电性而言，碳纳管可以是金属的，也可
以是
半导体性的，甚至在同一根碳纳米管上的不同部位，由于结构的变化，也可以呈现
出不
同的导电性。此外，电子在碳纳米管的径向运动受到限制，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，可以认为碳纳米管是一维量子导线。
    作为典型的一维量子输运材料，金属性的碳纳米管在低温下表现出典型的库仑
阻塞
效应。当外电子注入碳纳米管这一微小的电容（其电压变化为Δ＝Q／C，其中Q为注
入的
电量，C为碳纳米管的电容）时，如果电容足够小，只要注入1个电子就会产生足够
高的
反向电压使电路阻断。当被注入的电子穿过碳纳米管后，反向阻断电压随之消失，
又继
续注入电子了。
    荷兰和美国的科学家，用单根单层碳纳米管和3个电极，研制了可在室温下工作
的场
效应三极管[1]。当施加合适的栅极电压时，碳纳米管便由导体变为绝缘体，从而实
现了
"0"、"1"状态的转换。最近，美国的科学家利用催化热解法成功地制备了碳纳米管
－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[2]。这标志着
碳纳
米管在微电子技术领域的应用开发工作迈出了重要的一步。
在对单层碳纳米管电子结构研究的基础上，理论物理学家对多层碳纳米管的电子结
构也
进行了初步研究。结果表明，由两个金属性（或半金属性）的单层碳纳米管同轴套
构所
形成的双层碳纳米管，仍然保持其金属性（或半金属性）的特征。有趣的是，当一
个金
属性单层碳纳米管与一个半导体性单层碳纳米管同轴套构而形成一个双层碳纳米管
时，
两个单层管仍持原来的金属性和半导体性。这一特性可用来制造具有同轴结构的金
属－
半导体器件。
碳纳米管还具有优异的场发射性能。直径细小的碳纳米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0.1~1微安的发射电流。另外，开口碳纳
米管
比封闭碳纳米管具有更好的场发射特性。与目前的商用电子枪相比，碳纳米管电子
枪具
有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、无需加热和无需高真空等优点，
有望
在新一代冷阴极平面显示中得到应用。
优异的力学性质
除了奇特的导电性质之外，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[3]。此外，碳纳米管高的
比表
面积使其成为最有希望的新型储氢材料[4]。
由于碳纳米管本身具有小的直径和很高的长径比（即长度与直径之比），以及良好
的力
学及电学性能，因此可以将碳纳米管用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的控针，
使仪
器的分辨率有较大的提高[5]。
通过对碳纳米管进行B、N等元素掺杂已获得了一系列新型纳米管。以碳纳米管为母
体，
通过气相反应方法已制备SiC、GaN等多种纳米棒。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。
超长定向碳纳米管阵列
到目前为止，人们已发明了多种方法来制备碳纳米管，其中以电弧放电法、有机气
体催
化热解法和激光蒸发石墨法这三种方法最为有效。但从碳纳米的基本性质研究和实
际应
用的要求来看，目前制备的碳纳米管存在着长度短、分布无序等的不利因素，给碳
纳米
管的研究带来了很大的困难。因此，制备出离散分布的高质量碳纳米管，成为人们
追求
的目标之一。同时，由于定向排列的碳纳米管阵列在平面显示器中有重要的应用潜
力，
所以开发适宜的工艺来大面积制备排列有序、直径均匀、尖端较细的碳纳米管阵列
是当
前碳纳米管研究的热点之一。
笔者所在研究组发明一种采用模板法(template)制备大面积、高密度、离散分布的
碳纳
米管阵列的新工艺[6]，并利用改进后的基底，成功地控制了碳纳米管的生长模式，
实现
了催化剂颗粒集中在碳纳米管顶部的顶端生长方式。采用这种方法制得的碳纳米管
直径
均匀、长度达到了2毫米，比国际上已有的碳纳米管的最大长度提高了一1~2数量级
。这
一工作已在英国《自然》周刊（Nature）上发表[7]，并受到高度评价。
在实验中，通过正硅酸乙酯在硝酸铁溶液中水解，制备出表面均匀分布着Fe-SiO2纳
米催
化剂颗粒的片状SiO2基底。然后以乙炔为碳源，在600℃条件下，通过催化热解方法
在S
iO2基底上制备出大面积的碳纳米管阵列。由于碳纳米管由基底表面垂直向上生长，
从而
形成高密度、离散分布的定向碳纳米管阵列。碳纳米管生长均匀，其外径尺寸在20~
40纳
米之间，内径尺寸在155纳米之间。碳纳米管之间的间距约为100纳米。这样制备出
来的
碳纳米管的石墨化程度较高，仅在管的外层附着少量的非晶碳。在实验范围内（1~4
8时
），碳纳米管的长度随生长时间的延长而增大，碳纳米管的生长速率约为30~40微米
／时
。在生长48小时之后，碳纳米管的长度可达到2~3毫米。在世界上，这是迄今为止制
备出
来的最长的碳纳米管。
用这种方法，可以很容易地将碳纳米管阵列从基底表面取下而不破坏阵列的离散性
和取
向性。对碳纳米管阵列根部进行的电镜观察表明，碳纳米管的根部呈自然开口状态[
8]。
在生长碳纳米管之后，Fe-SiO2催化剂颗粒被转移到碳纳米管的头部，这使得碳纳米
管和
生长模式成为可控的，从而成功地实现了碳纳米管的顶部生长。
超长碳纳米管阵列的成功制备，为采用常规实验手段测试碳纳米管的性能提供了条
件，
这对碳纳米管的基本性质研究的实际应用都有重要意义。理论计算表明，碳纳米管
可望
具有极优异的力学性能。然而，碳纳米管的尺寸太小，使人们无法对其进行拉伸测
试，
对其力学性能的研究只能用非常规的方法。有人在透射电镜中用电子束加热碳纳米
管，
观察碳纳米管的热振动幅度，或者用外加一个谐变电场激发碳纳米管的振动，由碳
纳米
管受迫振动的振幅和频率推算出其杨氏模量可高达1.8太帕。也有人对一端固定的碳
纳米
管，利用原子力显微镜针尖迫使碳纳米管的自由端运动，造成碳纳米管弯曲，测得
的平
均杨氏模量为（1.28±0.59）太帕。
超长碳纳米管的成功制备，使得利用常规方法对碳纳米管力学性能的测定成为可能
。笔
者利用一种小型拉伸装置首次对碳纳米管的拉伸特性进行了研究，直接测量了碳纳
米管
平行束的杨氏模量和抗拉强度。笔者测得碳纳米管的杨氏模量和抗拉强度分别为（0
.45
±0.23）太帕和（1.72±0.64）吉帕。测量结果比理论计算值和前面所述的实验研
究结
果低，这主要是由于碳纳米管中存在大量的缺陷以及在拉伸过程中石墨层之间可能
产生
了相对滑动。
此外，笔者采用一种新的自加热3w方法，可以利用超长碳纳米管研究其热学输运性
质，
如热导率、比热和热扩散系数等。研究发现碳纳米管的热导率比理论预计的要低得
多，
比理想石墨热导率约低两个数量级。在实验湿度范围内（10~300开），碳纳米管的
比热
在整个温区内随湿度呈很好的线性关系。
超长碳纳米管的成功制备，不仅易于对碳纳米管的物理性能和力学性能进行研究，
而且
用超长碳纳米管容易做成更长寿命的场发射器件，也可以用它们作为加强材料制备
新型
的复合材料。
超长碳纳米管研究的另一个重要意义在于提供了一种新型高效的制备技术。利用改
进后
的溶胶－凝胶工艺，使得碳纳米管的生长模式成为可控制的。通过控制实验条件，
就可
以获得所需长度的定向碳纳米管阵列。
碳纳米管作为新型一维功能材料越来越受到科学家和企业家的关注。有关碳纳米管
的研
究也更加深入，成为当前重要的国际前沿课题之一，我国科学家在这一领域已取得
了若
干重要进展。随着制备技术的日益成熟，相信在即将到来的21世纪，科学家对碳纳
米管
这种神奇的一维纳米材料的认识会更清楚，进而可望开发出一系列以碳纳米管为原
料的
实用化产品。

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