碳纳米管

1．碳纳米管
1)碳纳米管的特性与分类
碳纳米管(carbon nanotube)，又名巴基管，是碳家族中第5种同素异形体，由自然界最强的C-C共价键结合而成。

碳纳米管是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上都封口）的一维量子材料。

它主要由呈六边形排列的
碳原子构成数层到数十层的同轴圆管（见图4.2.10）。

按照石墨烯片的层数，可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管(见图4.2.11)，无论是多壁管还是单壁管都具有很高的长径比，一般为100～1000，最高可达1000～10000，完全可以认为是一维材料.
2)碳纳米管的物理性质
①高强度、低密度（强皮为钢的100倍以上，密度为钢的1/6以下）；
②高弹性；
③优良的导体和半导体特性（量子限域所致）；
④高的比表面积；
⑤强的吸附性能；
⑥优良的光学特性；
⑦发光强度随发射电流的增大而增强。

3)碳纳米管在电子材料中的应用
(1)纳米电子器件。

碳纳米管的电子结构可以是金属性质，也可以是半导体性质，取决于其直径和螺旋度。

因此不同直径和螺旋度的碳纳米管可以作为功能电子器件、微型电路的导线、最小的半导体装置、纳米级的晶体三极管、逻辑门和线路的连接件，应用于微
电子器件。

(2)高性能传感器。

碳纳米管特殊的力学、电子、热学性能，可以用于制作高灵敏度、高性能传感器。

例如，碳纳米管在吸附某些气体如H2、NH3、O2和无机气体后电阻发生迅速的突变，可以作为电化学传感器，用作灵敏的环境监测计，监测有毒气体含量的微弱变化和控制环境污染。

(3)作为电极材料，用于高性能电容器、锂离子电池等领域。

(4)电子产品结构材料。

由于碳纳米管可制造高强度碳纤维材料，强度比钢高100倍，但重量只有钢的六分之一，并且具有高比模量、
耐高温、热膨胀系数小和抵抗热变性能强等一系列优异性能，因此用作产品的结构材料。

例如，用来制作笔记本电脑外壳，不仅
可以提高结构强度，而且可以使产品微小型化和轻型化。

2．宽禁芾化合物半导体纳米材料
宽禁。

带半导体材料能在可见光波段实现高效率的光电转换，具有很好的应用前景，而化合物半导体纳米材料就是一种宽禁带半导体材料。

目前进入实际应用的宽禁带化合物半导体纳米材料有氧化锌和氮化镓。

1)氧化锌纳米材料
Zn0作为一种压电、压敏和气敏材料，很早便在电子敏感器件中应用。

但纳米Zn0展现出新的特殊性能，使其在激光领域崭露头角。

利用纳米Zn0可以实现短波光发射和紫外激光发射，并且容易改变光谱发射结构并增强可见光（2个量级）和紫外（1个量级）光的发射强度；利用纳米Zn()的自组装行为得到Zn0纳米线阵列激光器件；制造远红外线反射纤维的材料等。

2)氮化镓纳米材料
GaN宽禁带化合物半导体纳米材料在信息存储、显示、打印等领域有着广泛的应用前景。

利用GaN材料体系，可以制备蓝蓝紫、紫外光IEDs以及高频、大功率电子器件以及紫外(UV)光探测器。

此外，GaN基白光LED通过多种技术改进可以提高发光效率，并且可以利用具备自聚焦透镜作用的结构制造大功率高亮度LED芯片，是下一代固态照明光源的基石。

3．半导体超晶格材料
半导体超晶格材料是一种人造的纳米级的特殊半导体材料，由于其独特的性能可能咸为未来半导体主流技术而受到广泛关注。

传统半导体技术使用的是天然的晶态半导体材料，随着半导体科技的发展，天然半导体材料的潜力已经接近枯竭，已经不能满足电子信息技术的发展需求，人们开始尝试“按需人造”，半导体超晶格材料应运而生。

在严格的技术条件下，采用各种技术措施，例如分子束外延( MB E)、化学气相淀积(CVD)、液相外延(LPE)、金属有机化学气相淀积(M OCVD)、化学束外延(CBE)等方法，在晶体衬底上一层叠一层地生长出不同材料的纳米级薄膜来，每层只有几个原子层，这样生长出来的材料叫超晶格材料。

在超晶格材料中，薄膜层载流子的运动状态由三维向二维、一维甚至零维转变，使其具有原来天然半导体材料不具备的、十分独特的性能。

有人把这种天然到人造的转化，形象地用“掺杂工程”到“能带工程”转换来概括其本质。

超品格材料的出现将进一步促进半导体器件的发展，从而开辟半导体发展的新天地。

分子束外延技术是制备半导体超晶格材料的主要技术，图4.2.12所示为MBE的结构。

随着技术的发展，现在人们已经可以利用MB E,制备材料组成的异质结和超品格。

GaAs/AIGaAs材料体系、GaAs 衬底上和InP衬底上的InGaAs/AIGaAs材料体系以及SiGe/Si异质结超品格是近年开发出的几种重要的半导体超晶格，其中有的已经实现产业化应用。

4．硅基半导体纳米材料
硅基半导体材料的尺寸达到纳米级(纳米硅晶、纳米硅线，约为6n m)时，在靠近可见光波段就会有较强的发光现象。

同时，硅基纳米结构如Si02纳米线和多孔硅的发光现象，表明硅和硅基半导体纳米材料在电子和光电子器件领域的应用前景。

1)硅和二氧化硅纳米线
基于量子限域效应,Si纳米线(SiNWs)、Si纳米管(SiNTs)以及其他Si纳米结构具有特异的电学、光学、机械和化学性质，可制成一维量子线、高速场发射晶体管和小型微波发射器等功能元件。

硅纳米线的量子限域效应与材料的低维度相关，衬底上生长的Si 纳米线有很高的表面/体积比。

SiNWs具有很多潜在的应用前景，如制造高容量、小尺寸可充电电池以及用SiNWs作锂电池的电极材料，其容量比传统的高8倍。

2)多孔硅
近年，多孔硅在微电子及光电子学等领域，如在发光器件、大屏
幕显示等方面有较多应用。

更重要的是，多孔硅可能为以硅为基底的光电子学的发展开启新路，将多孔硅发光性能与已经高度发展的集成电路技术结合起来，具有巨大的应用前景，使多孔硅成为纳米电子材料中引人注目的热点。

多孔硅是一种具有非晶体特性的特殊材料。

采用一定技术制造的多孔硅，硅层中形成许多孤立的孑L洞，当孔度达到80%时，相邻的孔将连通，而留下一些孤立的晶柱或晶丝，称为量子线，如图4.2. 13(a)所示，而且量子线的结构是有序的；图4.2.13 (b)是多孔硅的结构，呈现为无规则的珊瑚状，其中包含了一些丝状物，这就是量子线。

多孔硅能发射很强的可见光，波长可以从红、橙、黄直到绿色，且波长与多孔硅孔度有关。

其发光机理有多种模型，如量子尺寸效应、非晶发光以及表面相关等，迄今仍处于探索阶段。