碳納米材料的性能及應(yīng)用作業(yè)

1、碳納米材料的性能及應(yīng)用Z09016114 蔡排枝摘要:納米材料被譽(yù)為21世紀(jì)的重要材料,而作為新型納米材料的碳納米材料因其本身所擁有的潛在優(yōu)越性,在化學(xué)、物理學(xué)及材料學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。本文依據(jù)目前碳納米材料的研究發(fā)展現(xiàn)狀,闡述了碳納米材料碳60、碳納米管及石墨烯的結(jié)構(gòu)性能,并對(duì)其應(yīng)用特性進(jìn)行了初步探討和分析。碳納米材料是指材料微觀結(jié)構(gòu)在0-3維內(nèi)其長(zhǎng)度不超過(guò)100nm;由碳原子組成,材料中至少有一維處于納米尺度范圍0-100nm;具有納米結(jié)構(gòu)。它有四種基本類型:a.納米粒子原子團(tuán)如C 60 (零維 b. 碳納米纖維和碳納米管(1維 c. 碳納米層或膜材料石墨烯(2維 d.塊體納米材料如

2、金剛石(3維。由于碳納米材料的獨(dú)特結(jié)構(gòu),使其具有不同于常規(guī)材料和單個(gè)分子的性質(zhì)如量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等,從而導(dǎo)致了碳納米材料的力學(xué)性能、電磁性能、光學(xué)性能、熱學(xué)性能等的改變,并使之在電子學(xué)、光學(xué)、化工陶瓷、生物、醫(yī)藥、日化諸多方面有重要價(jià)值,得到廣泛的應(yīng)用。由于石墨,金剛石并不是常用的碳納米材料。碳納米材料中,目前應(yīng)用最成熟的就是碳納米管。碳納米管是一種具有獨(dú)特結(jié)構(gòu)的一維量子材料,由石碳原子層卷曲而成,管直徑一般為幾納米到幾十納米,管厚度僅為幾納米,長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米。由于擁有潛在的優(yōu)越能,碳納米管無(wú)論在物理、化學(xué)還是在材料科學(xué)領(lǐng)域都將有大發(fā)展前景。比如在材料科學(xué)領(lǐng)域,碳納米管

3、的長(zhǎng)度是直的幾千倍,被稱為“超級(jí)纖維”,其性質(zhì)隨直徑和螺旋角的同有明顯變化。近年來(lái),美國(guó)、日本、德國(guó)和中國(guó)等國(guó)家相成立了納米材料研究機(jī)構(gòu),使碳納米管的研究進(jìn)展隨之加快并在制備及應(yīng)用方面取得了突破性進(jìn)展。2.1 C60的主要性質(zhì)及應(yīng)用C60具有缺電子烯的性質(zhì),同時(shí)它又兼?zhèn)浣o電子能力,六元環(huán)間的6:6雙鍵為反應(yīng)的活性部位,可發(fā)生諸如氫化、鹵化、氧化還原、環(huán)加成、光化與催化及自由基加成等多種化學(xué)反應(yīng),并可參與配合作用。C60在超導(dǎo)、磁性、光學(xué)、催化、材料及生物等方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能,對(duì)它的研究已廣泛開(kāi)展。(1超導(dǎo)體超導(dǎo)現(xiàn)象是大約10年前第一次在一種電子攙雜的富勒烯C60中發(fā)現(xiàn)的。C60分子本身是不導(dǎo)

4、電的絕緣體,但當(dāng)堿金屬嵌人C60分子之間的空隙后,C60與堿金屬的系列化合物將轉(zhuǎn)變?yōu)槌瑢?dǎo)體如K3C60即為超導(dǎo)體,且具有很高的超導(dǎo)臨界溫度。(2光學(xué)特性由于C60分子中存在的三維高度非定域(電子共軛結(jié)構(gòu)使得它具有良好的光學(xué)及非線性光學(xué)性能。C60光激發(fā)后很容易形成電子一空穴對(duì)從而產(chǎn)生光電子轉(zhuǎn)移,C60還具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)和高穩(wěn)定性等特點(diǎn),可以預(yù)計(jì)C60將是很好的光電導(dǎo)材料、新型非線性光學(xué)材料,有望在光計(jì)算、光記憶、光信號(hào)處理及控制等方面有所應(yīng)用。(3功能材料的制備由于C60特殊籠形結(jié)構(gòu)及功能,將C60作為新型功能基團(tuán)引入高分子體系,得到具有優(yōu)異導(dǎo)電、光學(xué)性質(zhì)的新型功能高分子材料。將富勒烯

5、豐富的電子和電化學(xué)性質(zhì)與富電子的過(guò)渡金屬配合物Rubipy,Ruterpy,二茂鐵等電活性物種結(jié)合可用于新型分子電子器件的制備。華中科技大學(xué)劉曉國(guó)等人將納米富勒烯與丙烯酸(酯單體在引發(fā)劑作用下共聚,用該聚和物與有機(jī)胺中和成鹽使其水性化,制得水溶性納米富勒烯一丙烯酸(酯高分子成膜材料,發(fā)現(xiàn)富勒烯對(duì)丙烯酸(酯聚和物具有獨(dú)特的成膜改性功能。(4新型催化劑C60分子的電子親和力較高(2.62.8 ev易于通過(guò)分子內(nèi)或分子間的電子授受作用而發(fā)生氧化還原反應(yīng),因此多數(shù)富勒烯或其衍生物的金屬配合物均具有良好的催化性能,如C60Pdn 可在常溫下催化苯乙炔的氫化, C60Pt(H h32、C60Pm對(duì)端烯烴的

6、硅氫加成有良好的催化活性。(5生物活性材料Friedman 等人報(bào)道了水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物的合成方法,并證明它有抑制HIVP活性的功效,而艾滋病研究的關(guān)鍵是有效抑制的活性。Nakajima等人將他們合成的帶聚乙二醇的C60t 生物與 HelaS3 細(xì)胞共同培養(yǎng)并用光照射,結(jié)果呈現(xiàn)細(xì)胞毒性。2.2 碳納米管的結(jié)構(gòu)性能及應(yīng)用由碳原子形成的石墨烯片層圍成的一種管狀結(jié)構(gòu),而且它們的直徑很小,基本都在納米尺度,所以稱其為納米碳管。在理想情況下,僅僅包含一層石墨烯的納米碳管稱為單壁納米碳管。包含兩層以上石墨烯片層的納米碳管稱為多壁納米碳管,片層之間的距離為0.34-0.36nm。碳納米管是指

7、由類似石墨的六邊形網(wǎng)格組成的管狀物,可以看作是石墨片層繞中心軸按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由單層或多層組成,相應(yīng)的納米碳管就稱為單壁納米碳管(SWNT和多壁納米碳管(MWNT。碳納米管的直徑在幾微米到幾十納米之間,長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)微米,因此有較大的管徑比。資料表明:碳納米管的晶體結(jié)構(gòu)為密排六方( hcp , a = 0. 24568nm, c = 0. 6852nm, c / a = 2. 786,與石墨相比,a 值稍小而c 值稍大,預(yù)示著同一層碳管內(nèi)原子間有更強(qiáng)的鍵合力,碳納米管有極高的同軸向強(qiáng)度。多壁碳納米管存在三種類型的結(jié)構(gòu),分別稱為單臂納米管、鋸齒形納米管和手性納米管。碳納米管具有很高的

8、楊氏模量和抗拉強(qiáng)度,楊氏模量估計(jì)可高達(dá)5TPa ;同時(shí)碳納米管還具有極高的韌性,十分柔軟。碳納米管的導(dǎo)電性與本身的直徑和螺旋度有關(guān),隨著這些參數(shù)的變化可表現(xiàn)出導(dǎo)體或半導(dǎo)體性質(zhì).碳納米管管壁在生長(zhǎng)過(guò)程中有時(shí)會(huì)出現(xiàn)五邊形和七邊形缺陷,使其局部區(qū)域呈現(xiàn)異質(zhì)結(jié)特性.不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的碳納米管連接在一起會(huì)出現(xiàn)非線性結(jié)效應(yīng),有近乎理想的整流效應(yīng).在室溫條件下,碳納米管能夠吸收較窄頻譜的光波,能以新的頻譜發(fā)射光波,還能發(fā)射與原來(lái)頻譜完全相同的光波。可以有以下的應(yīng)用。(1納米電子學(xué)方面作為典型的一維量子輸運(yùn)材料,用金屬性單層碳納米管制成的三極管在低溫下表現(xiàn)出典型的庫(kù)侖阻塞和量子電導(dǎo)效應(yīng).碳納米管既可作為最細(xì)的導(dǎo)線

9、被用在納米電子學(xué)器件中,也可以被制成新一代的量子器件.碳納米管還可用作掃描隧道顯微鏡或原子力顯微鏡的探針。碳納米管還為合成其它一維納米材料的控制生長(zhǎng)提供了一種模板或框架,碳納米管在高溫下非常穩(wěn)定,利用碳納米管的限制反應(yīng)可制備其它材料的一維納米結(jié)構(gòu).這一方法用于制備多種金屬碳化物一維納米晶體和制備氮化物的一維納米材料。在硅襯底上生長(zhǎng)碳納米管陣列的工藝與現(xiàn)行的微電子器件的制備工藝完全兼容,這就為碳納米管器件與硅器件的集成提供了可能。美國(guó)IBM公司于2001年用單分子碳納米管成功制成了當(dāng)時(shí)世界上最小的邏輯電路。美國(guó)IBM 于2002年成功開(kāi)發(fā)出了當(dāng)時(shí)最高性能的碳納米管晶體管,比當(dāng)時(shí)用硅制成的最先進(jìn)的

10、晶體管的速度還要快.(2信息科學(xué)方面碳納米管可制作碳納米管場(chǎng)致發(fā)射顯示器碳納米管的頂端很細(xì),有利于電子的發(fā)射,它可用做電子發(fā)射源,推動(dòng)場(chǎng)發(fā)射平面顯示發(fā)展.實(shí)驗(yàn)證明在硅襯底上可生長(zhǎng)規(guī)則的碳納米管陣列,采用蒸發(fā)和掩膜技術(shù)在硅表面形成鐵的薄膜微觀圖形,利用乙烯做反應(yīng)氣體,在適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)條件下,碳納米管可垂直于襯底表面生長(zhǎng),形成規(guī)則的陣列,陣列的形狀由襯底上鐵膜的微觀圖形決定.這種碳納米管陣列的一個(gè)可能的直接應(yīng)用是場(chǎng)發(fā)射平面顯示.西安交通大學(xué)朱長(zhǎng)純教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組采用新的技術(shù),引導(dǎo)碳納米管有序、定向地生長(zhǎng)在導(dǎo)電的硅片襯底上引,并且進(jìn)一步研制出功能完備的場(chǎng)發(fā)射像素管0訓(xùn),由于其純度高、有序性好,場(chǎng)發(fā)射性

11、能也大為提高。和傳統(tǒng)顯示器比,這種顯示器不僅體積小,重量輕,大大省電,顯示質(zhì)量好,而且響應(yīng)時(shí)間僅為幾微秒,從零下45到零上85都能正常工作.(3能源方面由于碳納米管具有獨(dú)特的納米級(jí)尺寸和空心結(jié)構(gòu),有較大的比表面積,比常用的吸附劑活性炭有更大的氫氣吸附能力,非常適合作為儲(chǔ)氫的材料.碳納米管在儲(chǔ)氫率方面有明顯的優(yōu)勢(shì),加之碳材料的價(jià)格低廉,化學(xué)性能穩(wěn)定,密度較小,CNT 儲(chǔ)氫的應(yīng)用前景很好。中科院金屬研究所青年研究員成會(huì)明博士研究小組,在單壁納米碳管的儲(chǔ)氫研究方面取得顯著成果,他們采用等離子體氫電弧法半連續(xù)大量制備出高質(zhì)量單壁納米碳管,其純度高,納米碳管的直徑較粗.在室溫下獲得優(yōu)異儲(chǔ)氫性能,儲(chǔ)氫量達(dá)

12、4Wt%以上,其中約四分之三的儲(chǔ)量可在室溫和常壓下放出.(4材料方面應(yīng)用碳納米管的強(qiáng)度約比鋼高100多倍,而比重卻只有鋼的1/6;同時(shí)碳納米管還具有極高的韌性,十分柔軟。它被認(rèn)為是未來(lái)的“超級(jí)纖維”,是復(fù)合材料中極好的加強(qiáng)材料。目前已經(jīng)用于納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料和混凝土的強(qiáng)化.對(duì)碳納米管可控制生長(zhǎng)技術(shù)、表征技術(shù)和應(yīng)用的深入研究將會(huì)促進(jìn)納米科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展,有助于發(fā)現(xiàn)新的效應(yīng),發(fā)展新的器件,以至于形成新的產(chǎn)業(yè)。(5制備納米材料的模板一維納米中空孔道賦予了納米碳管獨(dú)特的吸附、儲(chǔ)氣和浸潤(rùn)特性。根據(jù)理論計(jì)算,中空的納米碳管具有毛細(xì)作用,納米碳管為模板制備其它納米線的研究工作。以納米碳管為基礎(chǔ),利用它的中空結(jié)

13、構(gòu)和毛細(xì)作用可制備其它納米結(jié)構(gòu)。對(duì)納米碳管進(jìn)行B、N等元素?fù)诫s已獲得了一系列新型納米管。以納米碳管為母體,通過(guò)氣相反應(yīng)方法可以制備出SiC、GeO2、GaN等多種納米棒以及各種金屬的納米線。這些新的一維納米材料的出現(xiàn),必將對(duì)納米材料的研究和發(fā)展產(chǎn)生積極的影響。(6催化劑載體納米材料比表面積大,具有特殊的電子效應(yīng)和表面效應(yīng)。如氣體通過(guò)納米碳管的擴(kuò)散速度為常規(guī)催化劑顆粒的上千倍,擔(dān)載上催化劑后可極大地提高催化劑的活性和選擇性,使其在加氫、脫氫和擇型催化等反應(yīng)中具有很大的應(yīng)用潛力。(7復(fù)合材料增強(qiáng)相碳納米管還有非凡的力學(xué)性質(zhì)。理論計(jì)算表明,碳納米管應(yīng)具有極高的強(qiáng)度和極大的韌性。由于碳納米管中碳原子間

14、距短、單層碳納米管的管徑小,使得結(jié)構(gòu)中的缺陷不易存在,因此單層碳納米管的楊氏模量據(jù)估計(jì)可高達(dá)5太帕,其強(qiáng)度約為鋼的100倍,而密度卻只有鋼的1/6。因此,碳納米管被認(rèn)為是強(qiáng)化相的終級(jí)形式,人們估計(jì)碳納米管在復(fù)合材料中的應(yīng)用前景將十分廣闊。(8納米器件納米碳管的電學(xué)性質(zhì)與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。就其導(dǎo)電性而言,由于納米碳管直徑和螺旋角不同,可以是金屬性的,也可以是半導(dǎo)體性的,甚至在同一根納米碳管上的不同部位,由于結(jié)構(gòu)的變化,也可以呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性。納米碳管中存在大量未成對(duì)電子,但其在納米碳管中的徑向運(yùn)動(dòng)卻受到限制,表現(xiàn)出典型的量子限域效應(yīng);而電子在軸向的運(yùn)動(dòng)不受任何限制。因此,可以認(rèn)為納米碳管是一維量

15、子導(dǎo)線。利用催化熱解法成功地制備了納米碳管-硅納米線,測(cè)試表明,這種金屬-半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)具有二極管的整流作用。當(dāng)一個(gè)金屬性單層納米碳管與一個(gè)半導(dǎo)體性單層納米碳管同軸套構(gòu)而形成一個(gè)雙層納米碳管時(shí),兩個(gè)單層管仍分別保持原來(lái)的金屬性和半導(dǎo)體性,利用這一特性可制造具有同軸結(jié)構(gòu)的金屬-半導(dǎo)體器件。納米碳管的電學(xué)性能和所處氣氛有關(guān),在不同氣體氣氛下,其電阻會(huì)發(fā)生改變,根據(jù)這一現(xiàn)象有可能把納米碳管用作體積很小而靈敏度極高的化學(xué)傳感器。納米碳管具有優(yōu)異的場(chǎng)發(fā)射性能,而且在空氣中穩(wěn)定同時(shí)具有較低工作電壓和大的發(fā)射電流等優(yōu)點(diǎn),直徑細(xì)小的納米碳管可以用來(lái)制作極細(xì)的電子槍,在室溫及低于80伏的偏置電壓下,即可獲得0.1

16、1微安的發(fā)射電流。有望在新一代冷陰極平面顯示器中得到應(yīng)用。2.3 石墨烯的主要性質(zhì)及應(yīng)用石墨烯除了有特殊的結(jié)構(gòu)外,還具有一系列獨(dú)特的性質(zhì)。最顯著的是它的導(dǎo)熱性和機(jī)械強(qiáng)度。石墨烯本身就是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體,可以很快地散發(fā)熱量,而電子穿過(guò)石墨烯幾乎沒(méi)有任何阻力,所產(chǎn)生的熱量也非常少;而它的強(qiáng)度可以和碳納米管相媲美,理想強(qiáng)度可達(dá)110-130 GPa6j。理想的單層石墨烯具有超大的比表面積(2 630m2/g17j,是很有潛力的儲(chǔ)能材料;同時(shí)石墨烯又是一種非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料,具有比硅高很多的載流子遷移率(2105cm2/V,因?yàn)榧词乖谑覝叵螺d流子在石墨烯中的平均自由程和相干長(zhǎng)度也可為微米級(jí)。石墨烯還

17、是目前已知在常溫下導(dǎo)電性能最優(yōu)秀的材料,電子在其中的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了一般導(dǎo)體,達(dá)到了光速的1/300;這一特性使其在納電子元件、傳感器、晶體管及電池中有著巨大的應(yīng)用前景。石墨烯還具有良好的透光性,是傳統(tǒng) IT0 膜潛在替代產(chǎn)品。石墨烯可應(yīng)用在以下方面。(1鋰離子電池中的應(yīng)用石墨烯作為電池電極材料以提高電池效率有著誘人的應(yīng)用前景。單層或者多層石墨烯在鋰離子電池里的應(yīng)用潛力引起了各國(guó)學(xué)者的極大關(guān)注。Yoo 等人對(duì)應(yīng)用于鋰離子二次電池負(fù)極材料中石罷烯的性能進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)其比容量可以達(dá)到540 mAh/g。如果在其中摻入C60 和碳納米管后,負(fù)極的比容量分別可達(dá)784mAh /g和730mAh/g

18、,Khan tha等人通過(guò)理論計(jì)算討論了石墨烯的儲(chǔ)鋰機(jī)理。(2計(jì)算機(jī)芯片材料中的應(yīng)用馬里蘭大學(xué)物理學(xué)家的研究表明,未來(lái)的計(jì)算機(jī)芯片材料中石墨烯可能取代硅。石墨烯具有遠(yuǎn)高于硅的載流子遷移率,并且從理論上說(shuō),它的電子遷移率和空穴遷移率兩者相等.因此其 n 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管和 P 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管是對(duì)稱的,因?yàn)槠溥€具有零禁帶特性,即使在室溫下載流子在石墨烯中的平均自由程和相干長(zhǎng)度也可為微米級(jí),所以它是一種性能非常優(yōu)異的半導(dǎo)體材料.專家指出硅基芯片在室溫條件下的速度是有限的,很難再大幅提高;而電子穿過(guò)石墨烯幾乎沒(méi)有任何阻力,所產(chǎn)生的熱量也非常少,且石墨烯本身就是一個(gè)良好的導(dǎo)熱體,可以很快地散發(fā)熱量,由石墨

19、烯制造的集成電路運(yùn)行的速度將要快得多.據(jù)估計(jì)用石墨烯器件制成的計(jì)算機(jī)的運(yùn)行速度可達(dá)到lT(1012Hz ,即比現(xiàn)在常見(jiàn)的 1G(109的計(jì)算機(jī)快1000 倍.(3減少納米元件噪聲領(lǐng)域的應(yīng)用普通的納米元件隨著尺寸越來(lái)越小,電噪聲(電荷在材料中反彈導(dǎo)致各種各樣的干涉,會(huì)變得越來(lái)越大,這種關(guān)系被稱為“豪格規(guī)則 HogueSlaw”.因此,如何減小噪聲成為實(shí)現(xiàn)納米元件的關(guān)鍵問(wèn)題之一。美國(guó)蚴司25-27J宣布,通過(guò)一層疊加在另一層上面的雙層石墨烯來(lái)構(gòu)建晶體管時(shí),發(fā)現(xiàn)可大幅降低納米元件特有的噪聲。雖然這離其商品化生產(chǎn)還甚遙遠(yuǎn),還有不少難題要克服,但降低噪聲是石墨烯晶體管研制過(guò)程中邁出的重要一步。三、總結(jié)隨

20、著研究的不斷深入,碳納米材料的優(yōu)異性能和潛在價(jià)值被逐步發(fā)掘出來(lái),而其在復(fù)合材料、納米器件、儲(chǔ)氫材料,量子計(jì)算機(jī)以及超靈敏傳感器等領(lǐng)域也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。當(dāng)前碳納米材料的研究還主要集中在基礎(chǔ)研究方面,如何大規(guī)模制備碳納米材料如碳納米管,石墨烯人是未來(lái)的一個(gè)研究重點(diǎn)。相信在不遠(yuǎn)的將來(lái),碳納米材料會(huì)給人類的生活,生產(chǎn)實(shí)踐帶來(lái)巨大的變化。參考文獻(xiàn) 1 IIJIMA S . Heli cal microtubules of graphitic carbon J . Nature,1991, 354: 5658. 2 TREACY M M J , EBBESEN T W, GIBSON J M. Except ionallyhigh Young#s modulus observed for individual carbon nanotubes J .Nature, 1996, 381: 678680. 3 YAO N, LORDI V. Young#s modulus of single w alled carbonnanotubes J . J . Appl. Phys. , 1998, 84: 1939 1943. 4 GIANNOPOULOS G I, KAKAVAS P A, ANIFANTIS N K.Evaluat io