3.1纳米材料_一维纳米材料之碳纳米管

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1、第二章纳米材料1零维纳米材料:纳米微粒2三维纳米材料:纳米固体3一维纳米材料4二维纳米材料5纳米复合材料6纳米结构13一维纳米材料3.1一维纳米材料定义3.2一维纳米材料制备3.3一维纳米材料特性和应用3.4典型一维材料:碳纳米管23.1一维纳米材料定义一维纳米材料(P5-01)一维纳米材料是在空间有一维不在纳米尺度范围，而其他二维处于纳米尺度范围(1–100nm)的材料。33.1.1一维纳米材料类型(1)纳米管:细长形状并具有空心结构，即细管状结构如C管、BN管等。(2)纳米棒:细棒状结构,长径比≤10，如SiC棒、SiN棒。34(3)纳米线:细长形状,其长径比≥10，如Si、Si

2、O纳米线。2(4)纳米带:细长条带状纳米结构,长宽比≥10,一般宽厚比≥3,如ZnO带(5)纳米同轴电缆：是指径向在纳米尺度的核/壳准一维结构，其代表产物有C/BN/C、Si/SiOx、SIC/SiO2等。43.1.2一维纳米材料可以是:晶体或非晶Amorphousorcrystalline单晶或多晶Singlecrystallineorpolycrystalline纯净物或非纯净物Chemicallypureorimpure独立存在或嵌入在其他介质金属、半导体、陶瓷或者聚合物53.4典型一维材料:碳纳米管3.4.1碳纳米管结构(CNTsStructure)3.4.2碳纳米

3、管制备3.4.3碳纳米管性能与应用2013/10/2363.4.1CarbonNanotube(CNT)结构1.CNT是一种纳米尺度，具有完整分子结构的新型碳材料(1)由碳原子形成的二维六角石墨片卷曲而成的无缝，中空管体(2)两端通常由半球形的大富勒烯分子罩住(3)其直径一般在纳米量级，长度在微米级2013/10/237示意图C60二维六角石墨片卷曲而成2013/10/2382.碳纳米管结构由手性矢量C或(n,m)确定h2013/10/239碳纳米管类型(1)根据石墨片卷起的方式的不同，CNTs有三种类型:a.锯齿形纳米管(zigzagCNT):手性矢量为(n,0)b.扶手型

4、纳米管(armchair):手性矢量(n,n)c.螺旋型纳米管(chiralCNT):手性矢量(n,m)(2)根据碳纳米管层数的不同，分为a.单壁碳纳米管Single-WalledCNT(SWNT)b.多壁碳纳米管Multi-WalledCNT(MWNT)2013/10/2310不同卷起方式示意图锯齿形zigzag螺旋型chiral扶手型armchair2013/10/2311SWNT和MWNT2013/10/23124.碳纳米管电子结构特性2013/10/23133.4.2碳纳米管制备碳纳米管的制备方法有数十种，包括电弧放电法，激光烧蚀法、催化化学气相沉积法、太阳能法、火焰法、

5、电解法等，这里介绍最常用三种方法：电弧放电法（Arc-discharge)激光烧蚀法(Laserablation)催化化学气相沉积法(CatalyticCVD)2013/10/23141.电弧放电法(Electricarcdischarge)在两个头对头的碳棒之间通过电弧放电，阳极石墨蒸发得到碳气体，沉积在阴极石墨的表面形成碳米碳管。2013/10/2315合成过程(1)抽本底真空(2)通入惰性气体Ar或He,压力为300-600torr(3)阴阳极通电(低电压高电流10-30V，75-100A)(4)逐渐减少阳极阴极间隙，使石墨棒电弧放电(5)阳极石墨电弧作用下蒸发，沉积在阴

6、极石墨的表面形成碳米碳管特点优点：可以获得缺陷少(温度T4000K)的多壁和单壁碳纳米管。缺点：CNT较短，难以控制CNT取向及尺寸；产量比较低，有杂质，须纯化；无法连续生产，重复性差。2013/10/2316He电弧法MWNTIijima,1991,MWCNT的HRTEM图，5层，2层和7层He气氛下直流电弧放电法的MWNTs的2013/10/23SEM图，电流70A,气压200torr17H电弧放电法MWNT2氢气电弧放电法制备MWNT的SEM图(a)纯化前(b)纯化后2013/10/2318电弧放电法SWNT电弧放电法制备SWNT的SEM图2013/10/23192.激

7、光烧蚀法(Laserablation)2013/10/2320合成过程将石墨靶材或石墨靶材混合金属(钴、镍)，放置于石英管中央以加热炉加热至高温(如1200°C)，并通入惰性气体(如He或Ar)。以一脉冲激光照射石墨靶。石墨靶在激光照射下被气化出来，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区，结果在出口附近生成一层黑色膜状堆积物，纯化可得碳纳米管。特点优点：可生成产率超过七成以上的高质量单层碳纳米管碳。缺点：成本最高(激光器