碳纳米管的电学特性研究

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1、碳纳米管的电学特性第一章绪论引言美国著名物理学家、诺贝尔物理学奖获得者Feyneman曾经预言:“如果我们对物体微小规模上的排列加以某种控制的话,我们就能使物体得到大量的异乎寻常的特性,就会看到材料的性能产生丰富的变化”。纳米材料被众多权威人士推崇为21世纪材料研究领域的热点，有着“21世纪最有前途的材料”的美誉。1991年日本电气公司(NEC)基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛钝雄在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时发现了碳纳米管,它是由管状的同轴纳米管组成的碳分子，这

2、就是今天大家熟知的“Carbonnanotube”，即碳纳米管,又名巴基管。碳纳米管以其独特的物理、化学特征、重要的是基础研究意义，以及在分子器件和复合材料领域的潜在应用价值，收到专业人士和普通大众的关注。纳米碳管的结构及性质碳纳米管的结构晶形碳有金刚石，石墨，富勒碳（巴基球、碳纳米管、巴基葱）三类。碳纳米管是富勒碳系中一个重要的类别，是晶形碳的另一种同素异形体。碳纳米管，属于富勒碳系,具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形

3、截面所组成。管身由六边形碳环微结构单元组成,端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。碳纳米管主要由石墨的碳原子层卷曲成的圆柱状结构，直径尺寸很小的碳管。一般由碳六边形环组成，一些特殊的弯曲部位还有一些五边形碳环和七边形碳环。碳管的直径一般从1纳米到30纳米不等，长度最长可达微米级别。根据碳纳米管层数可分为单壁纳米管和多壁纳米管。多壁碳纳米管是有多层圆柱碳管同轴套购而成，层数从2到50不等。层间距离0.34纳米，和石墨中碳层层间距离为同一数量级，多壁碳纳米管两端害死闭合

4、的。碳纳米管的分类按层数分类根据碳纳米管中原子层数不同，可以把碳纳米管大致分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。按形态分类现实中碳纳米管管的端帽结构比较复杂，已经观察到的结构有多角形，锥形。半环形和开口形。碳纳米管的管身不一定是准直或均匀的，可能是各种形状，比如L形，T形或Y形按手性分类根据单壁碳纳米管石墨片层的螺旋性，单壁碳纳米管可分为非手性和手性。手性是指碳纳米管的镜像和他本身一致，其命名来自于化学中的“轴向手性”，同理可得手性为不具有对称性的碳纳米管。手性管可分为扶手椅型和锯齿型，命名反应的是碳

5、纳米管横截面的碳环形状。手性是指碳纳米管的螺旋性，自身无法重合。碳纳米管的性质因为碳纳米管是一种纳米级的小颗粒，因此也像其他微粒一样表现出小尺寸效应、表面与界面效应和量子效应等特性。小尺寸效应：纳米微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导太相干尺寸或透射深度相当或者尺寸更小时，周期性边界条件被破坏，声，光，磁等特征会呈现出新的尺寸效应。表面与界面效应：纳米微粒尺寸越小，比表面越大，活性则大大增强，从而引起表面原子输运和结构变化，也会使表面电子自旋和电子能谱变化。量子尺寸效应：颗粒尺寸下降到一定

6、值时，电子能级，能带，声光磁热和超导电性与宏观特征显著不同。物理性质及其决定因素碳纳米管的物理性质是由其结构决定的。首先碳纳米管有很大的强度和韧性，一层碳原子六边形网格卷曲而成的理想单壁碳纳米管的强度是钢的100倍，重量只有钢的1/6；碳纳米管的弯曲性和卷曲能力都比一般材料要强很多，因此作为力学材料前景非常乐观。导电性质及其决定因素碳纳米管的管径和管壁的螺旋角决定了它的导电性。碳纳米管根据旋转对称性可分为扶手椅方向和锯齿面方向碳纳米管。利用紧束缚近似模型计算能带结构：n为构成碳纳米管周长的碳六圆

7、环结构个数，当轴向平行于C-C键时，由于n不同碳纳米管可能是导体或者半导体。具体实验结果表明当n是3的倍数时，碳纳米管为金属性，表现为导体，否则为半导体。此外碳纳米管在磁场作用下可以发生金属和绝缘体的转化，这种转化受纳米管半径，螺旋性和外加磁场方向影响。碳纳米管的制备目前，制备碳纳米管的方法有许多，最常见的是碳弧法，热蒸发法，化学气相沉积，离子束辐照和太阳能合成等方法。电弧放电法碳棒电极在Ar或He气氛中同时加入不同类型的催化剂用电弧放电的方法合成，这种方法可以制备单壁，多壁绳状碳纳米管。碳氢化

8、合物热解法用激光把过渡金属和碳氢化合物同时加热到高温使碳氢化合物发生分解从而产生碳纳米管。化学气相沉积法中国科学院物理所的一个研究小组利用化学气相沉积法制备了2mm的超长定向碳纳米管阵列，实现了碳纳米管的顶部生长。这种超长碳纳米管的制备使常规试验方法可以用于对碳纳米管的性能进行测试，同时方便了对碳纳米管实际应用的研究开发。化学气相沉积法较电弧放电法具有设备简单，工艺参数易于控制，避免了由于温度过高造成的烧焦成束现象，副产物相对也较少，可获得高度有序的碳纳米管或者超长碳纳米管，方法多种多样，产生的