碳纳米管的电学特性研究

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。
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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
• 碳纳米的端帽已经观察到的有多角形，锥 形、半环形和开口形结构。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形等。
• 此外还有封口形、变 径形、洋葱形、海胆 形、竹节形、念珠形、 纺锤形、螺旋形等
导电性质
• 1、由于受量子效应的影响，随螺旋角及直 径的不同，单壁碳纳米管中电子从价带进 入导带的能隙可从接近零连续变化至1 eV， 即导电性可呈金属、半金属或半导体性， 所以碳纳米管的传导性可通过螺旋角度和 直径而变化。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。
碳纳米管碳层中原子排列的方向用(n，m) 表示。如果有2n+m=3q（q为整数），则这个 方向上碳纳米管表现出金属性，是良好的导 体，反之表现为半导体。当n=m时，碳纳米 管表现出良好的导电性，电导率甚至可达铜 的1万倍。
碳纳米管导电性分析
C是螺旋向量 ，a1是单位向量
• 根据a1= a(√3 / 2，1/ 2) 和a2= a(√3 / 2，1/ 2) 可以得到其倒易空间单位向量b1和b2: •
• 平移向量T 是轴向重复碳纳米管单胞的最短 距离，可表示为 • T= t1a1+ t2a2 = ( t1，t2)
其中t1，t2 可用( n，m) 表示为t1 = ( 2m + n) / dR，t2 = - ( 2n + m) / dR。
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。
• 综合纯化法：通过物理、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
• 碳纳米管电子特性
• 碳纳米管还可用作锂离子电池电极、质子 交换膜燃料电池、催化剂载体、吸附材料 传感器、美容材料、防弹背心、抗震建筑 等。
第五章 碳纳米管研究与应用展望
• 随着碳纳米管研究的逐步深入和纳米科技 的快速发展，将带动一系列相关高科技产 业的兴起和发展，成为最有前途的材料。 碳纳米管将对众多领域产生深刻影响，并 给人类带来巨大的利益。 • 当然还有一些问题有待解决：碳纳米管的 生长机制还没有搞清楚，一般制备的碳纳 米管结构上都有一些缺陷，检测仪器手段 等还有许多不尽如人意的地方。
论文答辩
碳纳米管的电学特性 The electrical characteristics of carbon nanotubes 院系名称：理学院 班 级：物理092 学 号：200800124214 学生姓名：牛建帅 指导教师：杨林峰
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：
信息存储
• 用碳纳米管作为信息写入及读出探头，其 信息写入和读出点可达1. 3nm比目前市场上 的现有商品高4个数量级，从而实现信息超 高密度存储。
• 储氢材料：优良的吸氢能力，作为贮氢容 量最大的吸附材料， 碳纳米管将有助于氢 燃料汽车的发展。也可用于制造质子交换 膜燃料电池。这种燃料电池通过消耗氢产 生电力，排出的废气为水蒸气，因此没有 污染。
碳纳米管研究应用现状
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。
碳纳米管的其他性能
• 力学性质：碳纳米管具有极高的强度和极大的 韧性。其强度约为钢的100倍，而密度却只有 钢的1/ 6。 • 储氢性能：碳纳米管高的比表面积使其管道结 构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为 最有潜力的储氢材料。 • 导热性能：纳米碳管依靠超声波传递热能，纳 米碳管在一维方向传递热能。 • 碳纳米管还具有比表面大、吸附力强等特点。
• 超级电容器具有可大电流充放电，几乎没 有充放电过电压， 循环寿命可达上万次， 工作温度范围宽等优点。 • 因此，超级电容器在移动通讯、信息技术、 电动汽车、航空航天和国防科技等方面将 具有极其重要和广阔的应用前景。
• 碳纳米管是目前世界上最优异的导热材料。 即使捆在一起，热量也不会在平行的碳纳 米管间传导。它可用于超高速运算的计算 机芯片导热板，发动机或者火箭等高温部 件的防护材料。
碳纳米管的应用
• 微电子器件：科学家已经制成了碳纳米管 晶体管，体积是普通晶体管的十分之一， 从而可以将集成电路尺寸降低两个数量级。
• 麻省理工大学创造的碳纳米管铅笔，笔芯由单壁碳纳米管 压缩而成，可以让人在纸上手绘碳纳米管电路。
• 此外可以制作柔软电路，由无数碳纳米管随机重 叠在一张鱼网似结构上形成电路，切成一定的条 状，就可以作为微型电子线路。从而制成柔软电 路或透明显示屏。
• 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。
石墨层卷曲百度文库碳纳米管示意图
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。
磁阻振荡效应
• 当金属圆筒的轴向与外磁场方向平行时， 且轴向有电流时，圆筒的电阻将改变前后 之差称为磁阻。 • 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。
库仑阻塞效应
• 当外电子注入碳纳米管这一微小的电容器 时，如果电容足够小，只要注入1 个电子就 会产生足够高的反向电压使电路阻断。 • 科学家用单根单层碳纳米管和3个电极，研 制了可在室温下工作的场效应三极管。当 施加合适的栅极电压时，碳纳米管便由导 体变为绝缘体，从而实现了“0”、“1”状态 的转换。
套构后导电性不变
• 两个金属性/半金属性/半导体性的单层碳纳 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。
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。
• 碳纳米管电子枪具有尺寸小、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。
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。
纳米碳管的结构、制备及纯化
透明的显示屏
场致发射器件
• 碳纳米管非常尖锐的理想电子发射源， 其 场发射阈值电压可以降低到10 V 左右。
• 可以用作制造显像管、扫描电子显微镜、 高能电子武器、灵敏开关、超高频振荡器、 场致发射平板显示器等。
扫描隧道显微镜针尖
• 因为碳纳米管可以做的极为尖锐 ，且在接触物体 时只发生弯曲，离开界面是时立即可以恢复原来 的形状，因此可用作扫描隧道显微镜和原子力显 微镜针尖。
弹道输运特性
• 导电材料中的传导电子因受晶格振动及杂 质的散射而产生一定的电阻。电子在电场 中加速时能够飞行的最远距离称为射程。 • 碳纳米管网格长度比其他原子形成的短， 杂质难以将其置换，因此在电子传输时不 会因杂质引起散射，故能形成弹道输运。 室温下电子的弹道输运类似于光子在光纤 中无能量损失飞行一样。
dR 是( 2n + m，2m + n) 的最大公约数
• 单壁纳米碳管的手性矢量Ch= ma1+ na2，如 果2m + n是3的整数倍，单壁纳米碳管没有 能隙，具有金属性质。若2m + n不是3的整 数倍， 单壁纳米碳管出现能隙，碳纳米管 具有半导体性质。
碳纳米管的相变温度
• 对于材料的导电性能，不仅要看费米面附 近电子能量高低和能带中状态分布，还要 考虑相应状态密度随空间分布情况。
• 在高分子材料中只要加入少量的碳纳米管，其 电阻将会降低3 个数量级以上，使其具有抗静 电功能。 • 碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能，可 用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。
• 与金属形成高强度、耐高温、抗磨损、线胀系 数小、抗热变性能强的金属基复合材料; 还可 做陶瓷、水泥等的增强材料，提高其强度，改 变其脆性，提高其抗冲击性，耐磨耗等性能。
量子限域效应
• 电子在碳纳米管的径向运动受到限制，表 现出典型的量子限域效应。
• 电子在轴向的运动不受任何限制。无缺陷 金属性碳纳米管被认为是弹道式导体，其 导电性能仅次于超导体。 • 电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光 学纤维电缆中传输一样，能量损失微小。 因此，可以认为碳纳米管是一维量子导线。
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。