碳纳米管在电子器件上的应用 pdf

碳纳米管在电子器件中的应用

柴宝燕SC130140018 张攀德SC13014014

摘要：

碳纳米管有着众多独特的性质，尤其是它的电学性质，使得它在电子器件方面有巨大的用处。近几年来对它的研究在突飞猛进的发展，而且随着研究的进一步深入，碳纳米管的用途越来越广。本文在阐述碳碳纳米管的发展、结构和独特性质的基础上重点讲述了碳纳米管在电子器件中的应用。

关键字：碳纳米管、电子器件

Application of Carbon Nanotube in Electronic Devices Abstract：

Carbon Nanotube has many extraordinary properties, especially its electrical properties, making it have great influence in electronic devices. In recent years, the study of it develops by leaps and bounds, and along with the further research ,we find carbon nanotube’s application is more and more widely. This article describes emphatically on the application of the electronic device, based on the development, structure and the unique properties of carbon nanotubes.

Keywords:Carbon Nanotube, electronic device

1 碳纳米管的发展

碳纳米管的研究历史可以追溯到1889年，一项专利中描述了制备一维碳纳米管材料的方法，这个产物中就可能含有CNTs[1]。1970年，法国科学家Endo 用气相生长技术合成了直径为7nm的碳纤维，但是由于当时他没有对这些碳纤维结构进行深入表征和研究，所以并没有引起人们的关注。直到1991年，日本NEC公司科学家Iiljima真空电弧蒸发石墨电极，并对产物做高分辨率透射电镜观察意外发现了一种外径为515 nm、内径213 nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。通过进一步的分析表明，这种管完全由碳原子构成，并可以看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴，卷曲360°而形成的无缝中空

管。相邻管子之间的距离约为0.34 nm ，与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335 nm 相近，所以这种结构一般被称为碳纳米管，这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体，是碳团簇领域的又一重大科研成果，并将结果发表到《自然》杂志上，引起轰动，因此Iiljima被公认为CNTs发现者[2]。

之后，碳纳米管以其独特的结构和奇特的物理化学特性引起世界上各个领域的科学家的关注，并致力于研究这种新材料的性能及应用。1993年，美国IBM 公司Bethune等人和Iiljima同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，得到仅有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管。1996年，Smallery等人合成了成行排列的碳纳米管束。同年，中科院物理所解思深等人用化学气相法制备出面积达3mm×3mm的大面积碳纳米管阵列[3]。

2 碳纳米管的结构

碳纳米管是由碳元素构成的一个中空管状结构，可以由单层或多层石墨六边形网格平面（石墨片）沿手性矢量卷绕而成的无缝、中空的微管，径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本上由碳原子的五边形封顶，是一种特殊结构的一维量子材料。

碳纳米管的每个碳原子采取sp2杂化，相互之间又碳-碳σ键结合，由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。由于在六边形结构中可能混杂了五边形和七边形，在出现的地方由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出或凹进，因此碳纳米管并不总是笔直的，局部可能出现凹凸现象。如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管的封口，出现七边形的地方碳纳米管向内凹进[4]。

碳纳米管直径一般为几纳米到十几纳米具有很高的长径比，其两端各有一个由半个富勒烯球体分子形成的“帽子”，经氧化性酸或者其他氧化剂进行氧化切割后可变成两端开口的管道。

根据构成管壁的石墨片层数的不同，碳纳米管可分为单壁碳纳米管（SWNTs）和多壁碳纳米管（MWNTs）（如图1）。SWNTs由单层石墨片同轴卷绕构成，径向尺寸较小，一般在0.5-5nm之间，而长度一般为几十纳米至几十微米。多壁碳纳米管具有几层或几十层石墨片层结构，直径在60nm以内。与SWNTs 相比，MWNTs的微观结构较为复杂，其多层结构是同心圆柱或是蛋卷状都无法直接通过实验加以证实。其相邻层与层之间保持固定的距离，约0.34nm，接近石墨层间距。多壁管在形成的时候，层与层之间很容易成为缺陷中心而捕获各种缺陷，因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷。与MWNTs相比，SWNTs 由单层圆柱形石墨层构成，其直径的分布范围小，缺陷小，具有更高的均匀一致性。

图1 SMNTs和MWNTs结构示意图

Fig.1 Structure diagram of SMNTs and MWNTs

3碳纳米管的性能

碳纳米管作为一维纳米材料，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的机械、化学、电学以及场发射性能。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入，其广阔的应用前景也不断表现出来。下面我们将简单分类阐述。

由于碳纳米管中碳原子采取sp2杂化，相比sp3杂化，sp2杂化中s轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量、高强度。

3.1力学性能

碳纳米管的硬度和金刚是相当，却拥有良好的柔韧性，可以拉伸。其轴向弹性模量目前从理论估计和实验测定均接近甚至超过石墨片，在1TPa到 1.8TPa 之间。目前在工业上常用的增强性纤维中，决定强度的一个关键因素是长径比，基直径和长度之比。目前材料工程师希望得到的长径比至少是20:1，而碳纳米管的长径比一般在1000:1以上，是理想的高强度纤维材料。若将碳纳米管与其他工程材料制成复合材料，可对基体起到强化作用。

碳纳米管的抗拉强度达到50-200GPa，是钢的100倍，但又由于它具有很高比表面积，其密度只有钢的1/6，是铝的1/2；它的弹性模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为在钢的5倍。对具有理想结构的单层壁碳纳米管，其抗