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标 题: 16
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标 题: 寄 米管列阵研究� 新进展
发信站: BBS 水木清华站 (Wed Jan 3 21:10:04 2001)
——来自物理研究所
寄 米管列阵研究� 新进展
解思深
（中国科学院物理研究所，中国科学院凝聚态物理研究中心，北京 100080）
摘要 寄 米管的研� 是近几年来低维凝聚态物理研究的国际前� 之一，定向 寄 米管列
阵的制备更是物理学界、材料科学界共同关心的问题。本文介绍了利用内镶嵌纳米催化
粒子的介孔二氧化硅所具有的模板效应，并结合气相化学沉积的方法成功地制备出高密
度、几乎无杂质（高纯度）的、均匀分布的、管径一致的 寄 米管列阵这一最新进展。
关键词 寄 米管， 低维材料，制备方法
自1991年日本科学家饭岛（Iijima）发现 寄 米管以来[1]，由于 寄 米管在结构上
的特殊性（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级）而表现出为典型的一维量子材
料；它的电子波函数在管的圆周方向的周期性和管的轴向的平移不变性，不但大大地纯
化了理论工作，而且已作出了很多的预测；如理论预测 寄 米管的性质随结构的变化而
变化，它可由绝缘体变为半导体、也可由半导体变为金属；另外它的物理性质亦很奇特
，如当在平行于 寄 米管的轴向加一磁场时，具有金属导电性的 寄 米管表现出Aharon
ov-Bohm效应，也就是说，在这种情形下通过 寄 米管的磁通量是量子化的。另外，碳纳
米管还由于它具有很短的－C－C－键，而具有最高的强度；它还超常的磁阻、导热性等
。这使得实验物理学家、化学家都想在实验上给以充分地研究。更有趣的是，在 寄擅�
管内部可以充填各种物质如金属、氧化物等，这不仅可以制备出最细的导线或全新的一
维材料，在未来的分子电子学器件或纳米电子学器件得到应用；而且它还给化学家提供
了进行纳米化学反应的最细的试管，当然它还是供研究毛细现象机理的最细的毛细管。
在另一方面，也可以在 寄 米管的外面进行包覆，用不同的材料来包覆碳纳米管已成为
当前研究的重要方向。
目前，大量的碳纳米管既可以由电弧放电法，也可以由碳氢气体的热解法来制备。
另外，还有其它的方法，如固相热解法、辉光放电法和气体燃烧法等，但是这些方法制
备的 寄 米管是自� 取向的、 寄 米管之间或夹有碳纳米颗粒或� 结在一起。这就严重
地影响了 寄 米管的性质研究和实际� 用。当前对 寄 米管的物性的研究大� 是在所谓
的 寄 米管束上完成的，由于上述的原因，造成了最后的结果的不确定。因此制备径向
尺寸一致、轴向尺寸长、不含杂质、离散分布的直 寄 米管列阵� 成为主要的研究课题
之一。国际上在这方面的竞争也十分激烈，四年来在Science 、Nature 、Phy. Riv.Le
tt. 、Chem. Lett等各种学术杂志上均有种种方法推出，最近，Ajayan[2] 等人和 de
Heer[3]等人分别将 寄 米管进行了取向，两种方法都是在电弧放电法基础上，首先将放
电过程中在阴极上得到沉积物进行研磨来得到粉末，然后用超声的方法将其中的 寄擅�
管进行分离，再用化学的方法或其它方法进行纯化。在此之后，将产物用非常细的滤网
（孔径小于0.2mm)进行过滤，将滤得的产物置于某种有机基体内如树脂或有机导体材料
中使之再取向。显然用这些方法时，由于存在基体的作用和夹有杂质的 寄 米管束，这
些方法得到的定向 寄 米管不能很好地满足物理研究的要求。也就是说，它们还没有很
好地解决这一难题。即使在这种情况下，用 寄 米管"列阵"所作的研究业已提供了大量
的基本信息，另外用 寄 米管所做的在� 发射的原� 器件的尝试，业已表现出它的优越
性和潜在在的应用价值。
在研究 寄 米管列阵的制备方法上, 中国科学院物理所和中国科学院凝聚态物理中
心的" 米材料与介观物理"研究小组（412组）得到了重要的研究进展.他们创造了一种
新方法,并用这种方法制备出了大面积(3mm×3mm)、高密度、高纯度、管径一致而又离散
分布的碳纳米管列阵，每一 寄 米管的管径为20nm，管与管的间距为100nm。这一成果的
部分工作投稿到国际著名刊物Science后，得到了高度的评价，其中一位审稿人认为他们
提出了一种制备 寄 米管列阵的新技� ，这一技术巧妙地将二氧化硅衬底内的介孔（纳
米尺寸的孔）的模板效应与CVD技术结合在一起。这一方法的优越性被归结在以下几个方
面： 寄 米管的孔径基本一致（约为20nm）、 寄 米管的长度可达90mm、面积大到3mm×
3mm的尺寸、仅含有微量的非 己吞寄擅状校 其纯度高、 寄 米管的定向排列程度高、
寄 米管之间的间距约为100nm，碳纳米管呈离散分布而每一单根碳管都呈直线状极少弯
曲等
另一审稿人指出这一方法除了比以往的所有方法都优越之外，它还可引申出其它的
工作如 寄 米管 对二氧化硅的纳米复合加强和可以从衬底上将碳纳米管揭下来，并将其
移植到其它的衬底上来进行研究等。他们的这一工作已在 国际著名杂志Science上所发
表。(Large-Scale Synthesis of Aligned Carbon Nanotubes,Science, W.Z.Li,S.S.X
ie,L.X.Qian,B.H.Chang,B.S.Zou, W.Y.Zhou,R.A.Zhao,G.Wang,274 (1996) 1701)。对
这一工作Science编辑部也给予了极高的评价.(见This Week in Science ,Science ,P.
Szuromi,274 (1996)1585).实际上，这一工作的意义还在于它克服了 寄 米管研究和可
能应用的主要障碍，有可能将研究水平提高到新的层次。可以说，在样品的制备方面他
们的工作的确比国外的同行们取得了更为实质性的进展。初步的研究表明，用他们的样
品所作的Raman 散射的研究中，第一次观测到了三阶和四阶Raman峰，引起国内、外同行
的关注。Renishow公司的 同事们指出这一结果是非常有意义的，并表示愿意进一步合作
。
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