神奇的碳纳米管

导 电 性
ΔV=Q/C，其中Q为注入的电量，C为碳纳米管的电容）
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。当被注入的电子穿过碳纳米管后
，反向阻断电压随之消失，又可以继续注入电子了。
• 荷兰和美国的科学家，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[1]。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。最近，美国的科 学家利用催化热解法成功地制备了碳纳米管－硅纳米
线。测试表明，这种金属－半导体异质结具有二极管 的整流作用[2]。这标志着碳纳米管在微电子技术领域 的应用开发工作迈出了重要的一步。
•
在对单层碳纳米管电子结构研究的基础上，理论
物理学家对多层碳纳米管的电子结构也进行了初步研
究。结果表明，由两个金属性(或半金属性)的单层碳纳
米管同轴套构所形成的双层碳纳米管,仍然保持其金属
性(或半金属性)的特征。有趣的是，当一个金属性单层
碳纳米管与一个半导体性单层碳纳米管同轴套构而形
成一个双层碳纳米管时，两个单层管仍保持原来的金
属性和半导体性。这一特性可用来制造具有同轴结构
的金属－半导体器件
• 碳纳米管还具有优异的场发射性能。直 径细小的碳纳米管可以用来制作极细的 电子枪，在室温及低于80伏的偏置电压 下，即可获得0.1～1微安的发射电流。另 外，开口碳纳米管比封闭碳纳米管具有 更好的场发射特性。与目前的商用电子 枪相比，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，有望在 新一代冷阴极平面显示器中得到应用。
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式 ， 人 们 估 计 碳 纳 米 管 在 复 合
6 。 因 此 ， 碳 纳 米 管 被 认 为
尖端较细的碳纳米管阵列是当前碳纳米管研究的热点之一。
• 超长定向碳纳米管阵列
到目前为止，人们已发明了多种方法来制备碳纳米管， 其中以电弧放电法、有机气体催化热解法和激光蒸发石 墨法这三种方法最为有效。但从碳纳米管的基本性质研 究和实际应用的要求来看，目前制备的碳纳米管存在着 长度短、分布无序等的不利因素，给碳纳米管的研究带 来了很大的困难。因此，制备出离散分布的高质量碳纳 米管，成为人们追求的目标之一。同时，由于定向排列 的碳纳米管阵列在平面显示器中有重要的应用潜力，所 以开发适宜的工艺来大面积制备排列有序、直径均匀、 尖端较细的碳纳米管阵列是当前碳纳米管研究的热点之一。
神奇的碳纳米管
• 碳纳米管是在用电弧法制备C60时发现的。随后，确 认了碳纳米管的结构，发现了碳纳米管的许多奇特的 性质，使得碳纳米管成为新的一维纳米材料的研究热 点。
•
碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而
成的、中空的“微管”,分为单层管和多层管。多层管
由若干个层间距约为0.34纳米的同轴圆柱面套构而成。
碳纳米管的径向尺寸较小，管的外径一般在几纳米到
几十纳米；管的内径更小，有的只有1纳米左右。而碳
纳米管的长度一般在微米量级，相对其直径而言是比
较长的。因此，碳纳米管被认为是一种典型的一维纳
米材料。
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管 的 管 径 小 ， 使 得 结 构 中 的 缺
性 。 由 于 碳 纳 米 管 中 碳 原 子 间
算 表 明 ， 碳 纳 米 管 应 具 有 极 高
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质 之 外 ， 碳 纳 米 管 还 有 非 凡 的
优 异 的 力 学 性 质
• 研究组发明了一种采用模板法(template)制备大面积、 高密度、离散分布的碳纳米管阵列的新工艺[6]，并利 用改进后的基底，成功地控制了碳纳米管的生长模式，
实现了催化剂颗粒集中在碳纳米管顶部的顶端生长方
式。采用这种方法制得的碳纳米管直径均匀、长度达 到了2毫米，比国际上已有的碳纳米管的最大长度提高 了1～2个数量级。这一工作已在英国《自然》周刊 （Nature）上发表[7]，并受到高度评价。
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分 困 难 。 这 主 要 是 因 为 碳 纳 米 管 的
性 质 ， 但 从 实 验 上 验 证 这 些 特 性 却
电 学 、 力 学 、 光 学 等 方 面 的 许 多 奇
然 大 量 的 理 论 计 算 表 明 碳 纳 米 管 具
碳纳米管的性质与其结构密切相关。就其导电性而言，
•
碳纳米管可以是金属性的，也可以是半导体性的，甚至
在同一根碳纳米管上的不同部位，由于结构的变化，也 奇
可以呈现出不同的导电性。此外，电子在碳纳米管的径 异
向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应；而电子 的
在轴向的运动不受任何限制。因此，可以认为碳纳米管 是一维量子导线。 作为典型的一维量子输运材料，金属 性的碳纳米管在低温下表现出典型的库仑阻塞效应。当 外电子注入碳纳米管这一微小的电容器（其电压变化为
层 碳 纳 米 管 为 研 究 对 象 来 进 行 的 。
的 复 杂 性 ， 大 多 数 理 论 计 算 都 是 以
算 结 果 。 但 是 由 于 多 层 碳 纳 米 管 结
和 力 学 性 能 的 研 究 ， 已 有 许 多 理 论
对 碳 纳 米 管 的 性 能 ， 特 别 是 电 学 性
性能及其应用前景