碳纳米管的电学特性研究

场发射特性
碳纳米管顶端可以做得极为尖锐，具有优 异的场发射性能。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，广泛的应用于显像管、扫描电 子显微镜、高能电子武器，设计制作灵敏开 关、超高频振荡器、场致发射平板显示器。
近年来，纳米概念被商家吵得沸沸扬扬， 什么“ 纳米空调”、“ 纳米创可贴”、“纳 米毛巾”、“纳米领带”之类的产品到处都 是。 纳米技术前途光明，有着不可限量的应 用。但是它的应用及推广现在很多还集中在 研究领域和实验阶段。 一些国家纷纷制定纳米战略，投入大量 资金抢占纳米技术高地。2005仅美国联邦政 府拨款就达10亿美元。
碳纳米管按层分类可分为单壁碳纳 米管和多壁碳纳米管
单壁碳纳米管 多壁碳纳米管
按形态分类
碳纳米的端帽有多角 形，锥形、半环形和开 口形结构；碳纳米管的 管身有L形，T形或Y形等； 碳纳米管的特殊形态
按手性分类
单壁碳纳米管可分为椅形碳纳米管，锯齿 形碳纳米管和手性形碳纳米管。
碳纳米管的制备
• 电弧放电法：在Ar或He气氛中，用石墨棒做电极， 同时加入催化剂用使之进行反应，可制备碳纳米 管。 • 化学气相沉积法：通过烃类或含碳氧化物在催化 剂的催化下裂解而成。
• 激光蒸发法：在高温电阻炉中加入，催化剂激光 束蒸发石墨靶，得到绳索状直径均匀的单壁碳纳 米管。 • 还有热解聚合物法、粒子辐射法、低温固态热解 法、火焰法、电解法太阳能法等。
碳纳米管的纯化
• 物理纯化法：根据碳纳米管与杂质之间物 理特性方面的差异分离杂质从而获得纯的 碳纳米管。 • 化学纯化法：化学纯化法是利用碳纳米管 与碳纳米颗粒等杂质之间的氧化速率不一 致来实现的。
b2 (
1 2 , 1) a 3
cos
Ca 2n m C a 2 n2 m2 mn
由 T 与 Ch 的相互垂直关系可以得出 Ch T 0 ，由此推出
设 d R 是 (2n m) 与 (n 2m) 的最大公约数
t1 n 2m 。 t 2 2n m
可以得出
t1
n 2m 2n m 、 t2 dR dR
n 2m 2n m T a a2 平移矢量 T 也可以通过 d R 表示为 1 dR dR
碳纳米管能带分析
能带折叠法：沿碳纳 米管圆周方向施加周期 性边界条件就可以由石 墨的电子结构得到单壁 碳纳米管的能带结构。 它在实空间中及倒易空 间中常用的元胞和基矢 的选取法如右图 。
• 综合纯化法：通Hale Waihona Puke Baidu物理、化学方法优化组 合来进行纯化的综合法。
第三章 碳纳米的电学性质
单壁碳纳米管可以认为 是由单层石墨沿某一线 段卷曲而成。螺旋矢量 选定为 Ch na1 ma2 （n， m为整数），如右图所示：
d
L


C


a m2 n2 mn

1 2 b1 ( ,1) a 3
论文结构
论文分为五章： 第一章 绪论 第二章 碳纳米管的结构及其制备 第三章 碳纳米管的电学性能 第四章 碳纳米管的应用 第五章 碳纳米管研究与应用展望
第一章 绪论
碳纳米管是石墨六方结构绕同轴缠绕而成， 空心的管子，两端形成“ 帽状” 结构，成为 一端封闭或两端封闭的筒结构。如下图：
碳纳米管研究应用现状
cos
2n m 2 n2 nm m2
4 K 3a
YK 2n m nm k1 (n )k1 3 3
因此当 (n-m) 是3 的整数倍时，即（n-m） =3r, r为整数时，单壁碳纳米管为金属性的， 其他情形下单壁碳纳米管为窄带半导体。
导电性质
受量子效应的影响，随螺旋角及直径的 不同，单壁碳纳米管的导电性可呈金属、半 金属或半导体性。螺旋矢量中n=m时，碳纳 米管电导率可达铜的1万倍 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。 两个单层碳纳米管同轴套构所形成的双层 碳纳米管，仍然保持其导电特性。
碳纳米管的应用前景
碳纳米管具有独特的电学、力学、储氢、 导热性能，因此其拥有其他材料所不具有的 独特应用。 应用主要涉及微电子器件、场致发射器件、 扫描隧道显微镜针尖、信息存储、超级电容 器、储氢材料、导热材料、特殊吸附材料、 锂电池、质子交换膜、催化剂载体、复合材 料等方面。
第二章 纳米碳管的结构、制备及 纯化
碳纳米管的结构： 石墨层中碳原子的4 个价电子中有3 个成 键，形成六边形的石墨网状结构。 石墨六方结构绕同轴缠绕而成，空心的 管子，两端形成“ 帽状” 结构，成为一端封 闭或两端封闭的筒结构。直径一般在1~30nm， 长度可达微米级别。
石墨层卷曲成碳纳米管示意图
实验中的碳管存在缺陷，通过引入拓扑 缺陷5/7，5/6/7，5/6/6/7的方法可以形成各 种类型的异质结。
石墨能带结构
石墨能带结构分布如 右图。因为石墨能带结 构中，价带和导带仅在 第一布里渊区的六个顶 点 处简并，所以石墨结 构表现为半金属。
碳纳米管沿管轴方向具有平移对称性，在 倒格子基矢k1和k2：
k1 k1 2 Ch
k2 1 (mb1 nb2 ) N
k2 Ch 0
k1 k2 0
碳纳米管发展进程
• 1991 年日本饭岛钝雄在高分辨透射电子显微镜下发 现了碳纳米管。 • 1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不 同而呈现出半导体或良导体的特异导电性。 • 1993年,通过在石墨电极中添加催化剂的方法得到了 单壁碳纳米管。 • 1995年，科学家证实了其优良的场发射性能。 • 1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长。 • 1998年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极，并 制作了室温工作的场效应晶体管。 • 1999年，科学家发明了世界上最小的“秤”，它能 够称量相当于一个病毒的重量。
k1
1 [(2n m)b1 (n 2m)b2 ] Nd R
石墨在实空间与倒空 间的元胞。
石墨与碳管的第一布 里渊区。
上面图中正六边形为石墨结构的布里渊区， 六边形中的直线段是单壁碳纳米管的布里渊 区。对石墨的布里渊区进行折叠，间距为 ， 如果K点刚好折叠到碳纳米管的第一布里渊区， 则单壁碳纳米管为金属性的，否则单壁碳纳 米管为窄带半导体。