納米碳管和石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)簡介

1、納米碳管和石墨烯的微觀結(jié)構(gòu)簡介【摘要】本文主要介紹了納米碳管和石墨烯兩 種碳材料的微觀結(jié)構(gòu)，通過對(duì)兩種材料微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn) 識(shí)，了解這兩種碳材料的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)以及它 們將來會(huì)給我們的日常生活帶來的影響?！娟P(guān)鍵詞】納米碳管，石墨烯，微觀結(jié)構(gòu)1 前言 碳元素是自然界中存在的與人類最密切相關(guān)、最 重要的元素之一，它具有多樣的電子軌道特性（ sp， sp2, sp3雜化），再加之sp2的異向性而導(dǎo)致晶體的各 向異性和其排列的各向異性，因此以碳元素為唯一構(gòu) 成元素的碳材料具有各式各樣的性質(zhì)，并且新碳素相 和新型碳材料還不斷被發(fā)現(xiàn)和人工制得。由于碳元素 和碳材料具有形式和性質(zhì)的多樣性，從而決定了碳和 碳

2、材料仍有許多目前并未開發(fā)的部分，若再考慮與其 他元素或化合物等的復(fù)合和相互作用，則可獲得更大 的發(fā)展空間和前景。從目前的研究情況來看，在未來 相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)，碳的新相和聚合物碳同素異構(gòu) 體的設(shè)計(jì)、制造和研究將是物理化學(xué)領(lǐng)域中最中心的 課題。2 納米碳管簡介2.1 納米碳管的研究現(xiàn)狀納米碳管（CNT）,管狀的納米級(jí)石墨晶體，是單 層或多層石墨片圍繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成 的無縫納米級(jí)管，每層的C是SP2雜化，形成六邊形 平面的圓柱面 1。納米碳管由 1991年日本科學(xué)家 Sumio Iijima 發(fā) 現(xiàn)，具有優(yōu)良的場發(fā)射性能，制作成陰極顯示管，儲(chǔ) 氫材料。我國自制的碳管儲(chǔ)氫能力達(dá)到 4

3、%，據(jù)世界 領(lǐng)先水平。1992年，科研人員發(fā)現(xiàn)碳納米管隨管壁曲 卷結(jié)構(gòu)不同而呈現(xiàn)出半導(dǎo)體或良導(dǎo)體的特異導(dǎo)電性； 1995年，科學(xué)家研究并證實(shí)了其優(yōu)良的場發(fā)射性能； 1996 年，我國科學(xué)家實(shí)現(xiàn)碳納米管大面積定向生長； 1998 年，科研人員應(yīng)用碳納米管作電子管陰極； 1998 年，科學(xué)家使用碳納米管制作室溫工作的場效應(yīng)晶體 管；1999 年，韓國一個(gè)研究小組制成碳納米管陰極彩 色顯示器樣管； 2000年，日本科學(xué)家制成高亮度的碳 納米管場發(fā)射顯示器樣管 2 。2.2 納米碳管結(jié)構(gòu)介紹石墨平面卷成圓柱體時(shí)的矢量設(shè)計(jì)圖見圖 1。螺 旋向量 R= na1+ ma2， a1， a2 為石墨晶格矢量，

4、n， m 為整數(shù)。根據(jù)螺旋向量 R 的不同， SWNTs 可分為 三類：n= m型納米碳管叫做扶手椅型納米碳管：m = 0 型納米碳管叫做鋸齒型納米碳管 3 ；其余的叫做螺旋 型納米碳管(n-m) /3為整數(shù)時(shí)，SWNTs具有金屬性， 否則為半導(dǎo)體。納米碳管的導(dǎo)電性與納米碳管的螺旋度和直徑有 關(guān)，在納米碳管中，電子是沿著石墨片層的單個(gè)平面 進(jìn)行傳導(dǎo)的，其電子傳輸通道隨碳管直徑的增加而增 加，因此，納米碳管具有獨(dú)特的發(fā)射傳導(dǎo)性質(zhì)。扶手 椅型納米碳管具有金屬導(dǎo)電性，而鋸齒型和螺旋型納 米碳管具有半導(dǎo)體導(dǎo)電性。這是因?yàn)?，在扶手椅型納 米碳管中，價(jià)帶和導(dǎo)帶相交迭，而在大多數(shù)螺旋型納 米碳管中，費(fèi)米能級(jí)

5、附近存在禁帶，禁帶的寬度與碳 管直徑成反比 4 。CC共價(jià)鍵使納米碳管具有很高的強(qiáng)度和剛度，從納米碳管的結(jié)構(gòu)和已進(jìn)行的測試來看，納米碳管的 彈性模量和相應(yīng)的剛度值應(yīng)當(dāng)近似于或大于石墨的內(nèi) 平面值5。Treasy等人利用掃描探針顯微鏡對(duì)納米碳 管的熱振動(dòng)振幅進(jìn)行了測試，估計(jì)出 MWNTs 彈性模 量 1.8TPa( 1TPa=1000GPa)。如圖 1 納米碳管的矢量設(shè)計(jì)3 石墨烯簡介3.1 石墨烯的研究現(xiàn)狀石墨烯是一種只有單原子層厚度的二維碳納米材 料，他真正意義上的發(fā)現(xiàn)和制備始于 2004 年，由英國 曼徹斯特大學(xué)物理學(xué)院的 Geim 等人采用膠帶反復(fù)粘 貼剝離石墨的方法，首先獲得了完美的單

6、層石墨烯。 由于石墨烯本身擁有優(yōu)異的電性能，力學(xué)性能和熱性 能，他的出現(xiàn)在納米材料領(lǐng)域掀起了軒然大波，也因 此帶動(dòng)了樹脂基納米復(fù)合材料的快速發(fā)展 6 。3.2 石墨烯結(jié)構(gòu)介紹 石墨烯屬于典型的二維蜂窩狀碳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，平面 內(nèi)由周期性緊密排布的碳六元環(huán)構(gòu)成，各個(gè)碳原子之 間通過 SP2 雜化軌道相連接。由于石墨烯只有一個(gè)碳 原子層，他的厚度也僅僅 0.5nm 左右，同時(shí)石墨烯被 認(rèn)為是其他各維碳材料的基本組成單元，它能夠卷曲 成零維的富勒烯C60。如果卷成圓筒狀便構(gòu)成了二維 的碳納米管，而石墨烯片層之間通過較弱的分子間作 用（范德華力）相互堆積即是三維的石墨結(jié)構(gòu) 7。石墨烯完美的碳晶體結(jié)構(gòu)賦予了它

7、許多杰出的物 理化學(xué)性能。例如理論上2630m?/g的比表面積、高達(dá) 200000cm?/V s的電子遷移率、室溫5000W/mK的熱 導(dǎo)率、量子霍爾效應(yīng)、 阻隔性能、以及達(dá)到了 1100Gpa 楊氏模量和130Gpa破壞強(qiáng)度的超強(qiáng)力學(xué)性能等。在 納米電子器件、儲(chǔ)能材料、透明導(dǎo)電薄膜、力學(xué)傳感 器和樹脂基復(fù)合材料等研究領(lǐng)域引起關(guān)注。4 結(jié)語作為碳家族的一個(gè)新成員，納米碳管這種納米材 料以其特有的結(jié)構(gòu)和性能，引起了物理學(xué)、化學(xué)、材 料學(xué)領(lǐng)域研究者們的高度重視。目前，納米碳管的理 論研究、制備、提純、開口、填充、功能開發(fā)、實(shí)際 應(yīng)用都在進(jìn)一步深入。石墨烯因其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的物理、力學(xué) 和電學(xué)

8、性能吸引了無數(shù)科學(xué)家的目光。然而，綜合分 析石墨烯的特點(diǎn)、目前的研究狀況后，高質(zhì)量、單層 石墨烯的制備還處于實(shí)驗(yàn)室階段。隨著人類對(duì)納米碳管和石墨烯研究不斷深入，必 將給物理學(xué)、化學(xué)、材料學(xué)領(lǐng)域尤其是納米材料領(lǐng)域 帶來一場新的革命。5 參考文獻(xiàn)1 李文治，解思深 .納米碳管的制備及其微觀結(jié) 構(gòu)的研究J.電子纖顯微學(xué)報(bào)，1998, 17( 3): 243-243.2 董樹榮，涂江平 .納米碳管的制備的研究 J.材料科學(xué)與工藝，1998， 6( 1 )：31-31.3 Ajayan P M. Iijima S. Capillarity-induced filling of carbon nanotu

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