如何分离金属性与半导体性碳纳米管

如何分离金属性与半导体性碳纳米管

姓名：王玉中学号：06008225 学校：东南大学

摘要：本文主要阐述了碳纳米管具有金属性以及半导体性的现实以及原因，并研究了对这两种性质碳纳米管进行分离的不同方法。包括了以前比较流行的化学方法，改进的库伦爆炸法以及最近发现的DNA法。

前言：纳米碳管所具有的独特结构和各种优异性能，使其在电子学、材料学、化学等领域展示了巨大的应用前景。具体而言，其在电性能方面，由于碳纳米管独特的结构，造就了它在实际应用中会产生两种性质，既金属性与半导体性。

随着科学技术的飞速发展，自从1991年，日本电子公司的饭岛澄男博士在用电子显微镜观察石墨电极直流放电的产物时，发现一种新的碳结构——碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs），自此开辟了碳科学发展的新篇章，也把人们带入了纳米科技的新时代。纳米科学技术已经越来越受到各国科学家的重视，近几年来，经过各国科学家十几年的研究，在碳纳米管的物理、化学、导电性能、热学性能、电子学等方面的研究和应用领域都取得了重要进展。举导电性的特性而言，其独特的导电性使碳纳米管可用于大规模集成电路，超导线材。也可用于电池电极和半导体器件。因此，对碳纳米管的导电特性的进一步研究具有及其重大的科学与商业价值。

在对碳纳米管的试验中，我们发现不同结构的碳纳米管会具有不同的导电性能。如果该碳纳米管是由石墨面卷曲而成，碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，4个价电子中3个形成共价键，每个碳贡献一个电子形成金属键性质的离域键，由于共轭效应显著则，因此，圆柱形碳纳米管轴向具有良好的导电性，其导电性甚至能达到铜的1万倍；而对于螺旋形、线圈形、鱼骨形碳纳米管，当层面发生弯曲或不连续时，导电性中断。碳纳米管有导体和半导体两类碳纳米管的导电性与其直径和结构有关，而二者又由手性矢量(m，n)决定(n，m是整数)，当n—m为3的整数倍时，单层碳纳米管呈金属性，否则为半导体性。当碳纳米管束带的电荷达到一定程度时，在电子显微镜下，它会形成一种独特、新奇的像树一样的放射状格局。不仅如此，这些呈树枝状分离的碳纳米管还具有较小的直径(3纳米)，有的甚至是单根的碳纳米管。

随着研究的不断深入，产品对碳纳米管的需求越来越高。目前，科研人员已经能够根据需要大量制备碳纳米管。实验中制备碳纳米管通常采用化学办法，然而碳管间范德瓦尔斯力的作用，导致生成的碳管聚集成束。要从中分离出单个在碳管，仍然一项重要却十分复杂的过程，阻碍了进一步的研究和应用。研究者采用了许多不同的方法来分离碳纳米管，如超声波电泳分离法、色析层离法，等等。

最近，日本科学家发明了一种方法。首先在双氧水中对金属性单层碳纳米管和半导体性单层碳纳米管混合而成的单层碳纳米管进行热处理，利用半导体性单层碳纳米管先于金属性单层碳纳米管发生氧化和燃料的原理，成功地将金属性碳纳米管的含量浓缩到了80％。金属性单层碳纳米管有望作为透明电极材料取代导电玻璃。另外，由于有望能够对单层碳纳米管结构进行有选择地控制，因此将来通过有选择地提取半导体性单层碳纳米管，极有希望实现透明薄膜晶体管。单层碳纳米管在结构上就像是把苯环相连而成的六元环片卷成了卷一样。根据不同的卷法，单层碳纳米管就会变成金属或半导体。刚刚合成之后的单层碳纳米管就是金属性与半导体性单层碳纳米管的混合体，金属性单层碳纳米管与半导体性单层碳纳米管的比例为36:67。分离工艺只是将这种单层碳纳米管进行47分钟的热处理之后，有99％分解掉了。对剩余的1％单层碳纳米管进行分析的结果，金属性单层碳纳米管的比例提高到了80%左右。这表明半导体性单层碳纳米管的反应特性比金属性单层碳纳米管高，利用二者不同的

反应特性，可进行有选择的分离。过去普遍认为金属性单层碳纳米管的反应特性比半导体性单层碳纳米管高，但此次的结果却完全相反。

但是这些化学方法需要多步物理和化学过程，而且很可能掺杂入其它杂质原子而改变了其固有的物理化学性质。另外，超声波等方法的冲击可能会破坏碳管的结构，即使生成完整的碳管，其长度也不理想，只有约200nm 左右，更容易在溶液中聚集成团，因此有必要研究一种简单高效的分离碳纳米管束的方法。

这就不得不谈到“库伦爆炸法”，在进行实验的时候，科学家们意外发现了当碳纳米管束带有大量电荷的时候会产生‘爆炸’现象。这种分离方法实际上利用的是最基本的同种电荷相互排斥的原理，让一束单壁碳纳米管带上同种电荷，当电荷之间的排斥力大于管之间的相互吸引力时，‘爆炸’就发生了。这种全新的碳纳米管物理分离方法被命名为库仑爆炸法。库仑爆炸现象可以理解为：当一个金属球充电以后，电荷与电荷之间的相互排斥作用导致系统的能量升高，当电荷量超过了临界值（称为瑞利不稳定极限，1882 年瑞利在理论研究带电液滴的稳定性时发现，不可压缩带电液滴的稳定临界条件为排斥库仑力等于结合力。）时，金属球会发生爆炸而分裂成几个小球，并以此来降低系统的库仑排斥能。如果将碳管束中各个带电的碳管间的库仑排斥力和范德瓦尔斯力与上述相对照，则这种电致分离的现象应该归于“库仑爆炸”，则其临界点条件为碳管带电荷的库仑排斥力。通过原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱(Raman)等实验证明，库仑爆炸法并不会破坏碳纳米管本身的结构。不过，由于用于分离的碳纳米管束形状和结构不一，库仑爆炸法的可控性还不是很理想。

最近在最近出版的《自然》杂志上，美国杜邦公司和理海大学科学家组成的研究小组表示，他们在生产碳纳米管方面取得了突破性的进展，成功开发出以DNA为基底的可从多种碳纳米管的混合物中分拣出特殊类型的碳纳米管的方法。他们确认了20多个能识别碳纳米管类型的DNA短序列，这些DNA短序列能够从各种碳纳米管的混合物中分拣出所需的特殊类型的碳纳米管。研究人员说，新的方法借助专门的DNA序列，可从碳纳米管混合物中分拣出所有12种主要的单空间螺旋特征的半导体碳纳米管，其分拣能力能够满足基础研究和应用开发的需求.。贾古塔表示，如果选择的DNA序列正确，那么它能识别某种特殊类型的碳纳米管，同时帮助人们将该碳纳米管从多种碳纳米管中分拣出来。，这种具有实用性的成果进一步增大了人们开发出大规模生产碳纳米管的可能性。至于DNA序列是如何识别和分拣不同的碳纳米管的，这同DNA自身的某种能力相关，该能力致使DNA可通过包裹碳纳米管，形成与其本身常见的双螺旋有所不同的结构。贾古塔介绍说，碳纳米管的圆筒形结构对于DNA而言是陌生的。但是，研究人员却能让DNA吸附到不同结构的表面。如果表面为类似于碳纳米管的圆筒形，那么人们获得的则是被称为贝塔管桶的变形体。虽然目前研究人员还没有充分的证据用以证明他们的推测，但他们认为，间接的证据在极大程度上支持了他们的观点。他们相信，DNA能形成完美的有序结构，同时识别特殊的碳纳米管，正如同生物分子能够通过结构相互识别那样。新的研究成果在生物医学分支中具有特殊的意义。

结束语：以上几种方法只是目前比较为人们所熟知的三种，各地的科学家可能已经发现了更好的方法来分解两种性质的碳纳米管。相信再过不久，人们队分解技术的掌握与运用将会把纳米管的应用带上更高的层次与更广大的范围。碳纳米管作为最重要的纳米材料之一其研究越来越得到人们的高度重视有理由相信碳纳米管在工业领域里大规模应用将在未来几年中出现碳纳米管的研究也将对纳米技术的未来产生重大影响。