碳纳米管器件原理和应用

碳纳米管器件原理和

应用

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专业：应用物理

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摘要：

纳米材料被誉为是21 世纪的重要材料，它将构成未来智能社会的四大支柱之一。碳纳米管在纳米材料中最富有代表性，并且是性能最优异的材料。碳纳米管具有独特的结构形态和优异的电学、力学等性能，碳纳米管的独特结构和优异的物理力学性能使它成为纳米科技领域中构筑纳尺度器件和系统的重要基础，为纳米科技领域的创新提供着持续强劲的原动力。碳纳米管在各种应用领域中的巨大应用前景，包括高强度复合材料、微机械、信息存储、纳米电子器件、平板场致发射显示器以及碳纳米管微操作等，碳纳米管独特的结构和优良性能使其在纳米技术和纳米电子学领域扮演着愈来愈重要的角色，本文综述了碳纳米管器件的原理和应用。

关键词：碳纳米管器件、场效应管、单电子晶体管、电磁屏蔽复合材料、聚合物基吸波复合材料、超电容器电极材料、储氢材料、催化剂载体

正文：

一、碳纳米管器件的制备原理

碳纳米管的生长和制备是场致发射显示器研制中关键的一个环节。目前，人们可以利用激光轰击法、化学汽相沉积法、辉光放电法、直流电弧放电法、气体燃烧法、催化剂高温热解法等多种方法制备碳纳米管。在这些技术当中，直流电弧放电法的生产工艺简单，可以大批量生产。虽然目前已经有很多种制备碳纳米管的方法，但是碳纳米管的大量制备仍然是以电弧放电法和高温催化热解法为主。其中电弧

放电法可以获得具有较高程度石墨化结构的碳纳米管，十分适用于理论研究的需要。C.Journet等人采用电弧法的工艺过程如下：在氩气气氛下，利用阴阳两个电极之间的大量放电现象来实现碳纳米管材料的生长。阴极是一个长约100mm、直径大约6mm的石墨棒，上面刻蚀了一个4mm深、3.5mm 直径大小的孔洞，利用金属催化剂和石墨粉末的混合物进行填充。利用大约为100A的高电流来产生电弧放电，通过不断移动阳极，同时保持阴极和阳极之间的间距为常数（大约为3mm）来实现的。典型的生长时间为2min。从SEM的结果看，存在着大量的、相互缠绕的碳纤维材料均匀地分布在至少为几个平方毫米的衬底表面上，碳纳米管的直径为10~20nm，而两个缠绕点之间的平均距离在几个微米左右，但是看不出碳纳米管的顶端。估计碳纳米管的产量在百分之八十左右。

碳纳米管的电学性能，单壁碳纳米管既可表现为金属性，又可表现为半导体性；电子在碳纳米管中可实现弹道式传输，无电子散射发生，无能量损失；碳纳米管的通流能力可以达到109− 1010A/cm2，并在较高的温度下稳定地存在而没有电迁移现象；碳纳米管的电流传输具有螺旋特征，使其磁场分布主要集中在碳管的内部；碳纳米管的场发射特性具有相对低的开启电压和阈值电压、良好的场发射稳定性和长的发射周期；碳纳米管的微波介电特性使其表现出较强的宽带微波吸收性能。碳纳米管的力学性能，比重为钢的1/6，强度为钢的100 倍，杨氏模量可达1000 GPa，比金刚石高好几倍，弹性模量可达 1 TPa；具有高弹性，高的韧性；通过材料的响应，直接把电能转化为机