碳納米管的電學特性研究詳解演示文稿

碳納米管的電學特性研究詳解演示文稿目前一頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點（優(yōu)選）碳納米管的電學特性研究目前二頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點第一章緒論碳納米管是石墨六方結構繞同軸纏繞而成，空心的管子，兩端形成“帽狀”結構，成為一端封閉或兩端封閉的筒結構。如下圖：

目前三頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點碳納米管研究應用現(xiàn)狀

近年來，納米概念被商家吵得沸沸揚揚，什么“納米空調”、“納米創(chuàng)可貼”、“納米毛巾”、“納米領帶”之類的產(chǎn)品到處都是。

納米技術前途光明，有著不可限量的應用。但是它的應用及推廣現(xiàn)在很多還集中在研究領域和實驗階段。

一些國家紛紛制定納米戰(zhàn)略，投入大量資金搶占納米技術高地。2005僅美國聯(lián)邦政府撥款就達10億美元。目前四頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點碳納米管發(fā)展進程1991年日本飯島鈍雄在高分辨透射電子顯微鏡下發(fā)現(xiàn)了碳納米管。1992年，科研人員發(fā)現(xiàn)碳納米管隨管壁曲卷結構不同而呈現(xiàn)出半導體或良導體的特異導電性。1993年,通過在石墨電極中添加催化劑的方法得到了單壁碳納米管。1995年，科學家證實了其優(yōu)良的場發(fā)射性能。1996年，我國科學家實現(xiàn)碳納米管大面積定向生長。1998年，科研人員應用碳納米管作電子管陰極，并制作了室溫工作的場效應晶體管。1999年，科學家發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量相當于一個病毒的重量。目前五頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點碳納米管的應用前景

碳納米管具有獨特的電學、力學、儲氫、導熱性能，因此其擁有其他材料所不具有的獨特應用。應用主要涉及微電子器件、場致發(fā)射器件、掃描隧道顯微鏡針尖、信息存儲、超級電容器、儲氫材料、導熱材料、特殊吸附材料、鋰電池、質子交換膜、催化劑載體、復合材料等方面。目前六頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點第二章納米碳管的結構、制備及純化碳納米管的結構：

石墨層中碳原子的4個價電子中有3個成鍵，形成六邊形的石墨網(wǎng)狀結構。石墨六方結構繞同軸纏繞而成，空心的管子，兩端形成“帽狀”結構，成為一端封閉或兩端封閉的筒結構。直徑一般在1~30nm，長度可達微米級別。目前七頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點石墨層卷曲成碳納米管示意圖目前八頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點實驗中的碳管存在缺陷，通過引入拓撲缺陷5/7，5/6/7，5/6/6/7的方法可以形成各種類型的異質結。目前九頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點碳納米管按層分類可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管單壁碳納米管多壁碳納米管目前十頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點按形態(tài)分類碳納米的端帽有多角形，錐形、半環(huán)形和開口形結構；碳納米管的管身有L形，T形或Y形等；碳納米管的特殊形態(tài)目前十一頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點按手性分類單壁碳納米管可分為椅形碳納米管，鋸齒形碳納米管和手性形碳納米管。目前十二頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點碳納米管的制備電弧放電法：在Ar或He氣氛中，用石墨棒做電極，同時加入催化劑用使之進行反應，可制備碳納米管?；瘜W氣相沉積法：通過烴類或含碳氧化物在催化劑的催化下裂解而成。激光蒸發(fā)法：在高溫電阻爐中加入，催化劑激光束蒸發(fā)石墨靶，得到繩索狀直徑均勻的單壁碳納米管。還有熱解聚合物法、粒子輻射法、低溫固態(tài)熱解法、火焰法、電解法太陽能法等。目前十三頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點碳納米管的純化物理純化法：根據(jù)碳納米管與雜質之間物理特性方面的差異分離雜質從而獲得純的碳納米管?；瘜W純化法：化學純化法是利用碳納米管與碳納米顆粒等雜質之間的氧化速率不一致來實現(xiàn)的。綜合純化法：通過物理、化學方法優(yōu)化組合來進行純化的綜合法。目前十四頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點第三章碳納米的電學性質單壁碳納米管可以認為是由單層石墨沿某一線段卷曲而成。螺旋矢量選定為（n，m為整數(shù)），如右圖所示：目前十五頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點

目前十六頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點目前十七頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點碳納米管能帶分析能帶折疊法：沿碳納米管圓周方向施加周期性邊界條件就可以由石墨的電子結構得到單壁碳納米管的能帶結構。它在實空間中及倒易空間中常用的元胞和基矢的選取法如右圖。目前十八頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點石墨能帶結構石墨能帶結構分布如右圖。因為石墨能帶結構中，價帶和導帶僅在第一布里淵區(qū)的六個頂點處簡并，所以石墨結構表現(xiàn)為半金屬。目前十九頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點碳納米管沿管軸方向具有平移對稱性，在倒格子基矢k1和k2：

目前二十頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點石墨在實空間與倒空間的元胞。石墨與碳管的第一布里淵區(qū)。目前二十一頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點上面圖中正六邊形為石墨結構的布里淵區(qū)，六邊形中的直線段是單壁碳納米管的布里淵區(qū)。對石墨的布里淵區(qū)進行折疊，間距為，如果K點剛好折疊到碳納米管的第一布里淵區(qū)，則單壁碳納米管為金屬性的，否則單壁碳納米管為窄帶半導體。目前二十二頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點因此當(n-m)是3的整數(shù)倍時，即（n-m）=3r,r為整數(shù)時，單壁碳納米管為金屬性的，其他情形下單壁碳納米管為窄帶半導體。目前二十三頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點導電性質

受量子效應的影響，隨螺旋角及直徑的不同，單壁碳納米管的導電性可呈金屬、半金屬或半導體性。螺旋矢量中n=m時，碳納米管電導率可達銅的1萬倍

同一根碳納米管上的不同部位，由于結構的變化，也可以呈現(xiàn)出不同的導電性。兩個單層碳納米管同軸套構所形成的雙層碳納米管，仍然保持其導電特性。目前二十四頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點場發(fā)射特性碳納米管頂端可以做得極為尖銳，具有優(yōu)異的場發(fā)射性能。具有尺寸小、發(fā)射電壓低、發(fā)射密度大、穩(wěn)定性高、無需加熱和無需高真空等優(yōu)點，廣泛的應用于顯像管、掃描電子顯微鏡、高能電子武器，設計制作靈敏開關、超高頻振蕩器、場致發(fā)射平板顯示器。目前二十五頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點彈道輸運特性導電材料中的電子在電場中加速時能夠飛行的最遠距離稱為射程。傳導電子因受晶格振動及雜質的散射而產(chǎn)生一定的電阻。碳納米管網(wǎng)格長度比其他原子形成的短，雜質難以將其置換，因此在電子傳輸時不會因雜質引起散射，故能形成彈道輸運。室溫下電子的彈道輸運類似于光子在光纖中無能量損失飛行一樣。目前二十六頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點磁場效應當金屬圓筒的軸向與外磁場方向平行時，且軸向有電流時，圓筒的電阻將改變前后之差稱為磁阻。

碳納米管在磁場作用下可以發(fā)生金屬和絕緣體的轉化，這種轉化受納米管半徑，螺旋性和外加磁場方向影響。目前二十七頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點庫侖阻塞效應當外電子注入碳納米管這一微小的電容器時，如果電容足夠小，只要注入1個電子就會產(chǎn)生足夠高的反向電壓使電路阻斷?？茖W家用單根單層碳納米管和3個電極，研制了可在室溫下工作的場效應三極管。當施加合適的柵極電壓時，碳納米管便由導體變?yōu)榻^緣體，從而實現(xiàn)了“0”、“1”狀態(tài)的轉換。目前二十八頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點量子限域效應電子在碳納米管的徑向運動受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限域效應。電子在軸向的運動不受任何限制。無缺陷金屬性碳納米管被認為是彈道式導體，其導電性能僅次于超導體。電子在碳納米管中的傳輸就像光信號在光學纖維電纜中傳輸一樣，能量損失微小。因此，可以認為碳納米管是一維量子導線。目前二十九頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點碳納米管的其他性能力學性質：碳納米管具有極高的強度和極大的韌性。其強度約為鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/6。儲氫性能：碳納米管高的比表面積使其管道結構及多壁碳管之間的類石墨層空隙，使其成為最有潛力的儲氫材料。導熱性能：納米碳管依靠超聲波傳遞熱能，納米碳管在一維方向傳遞熱能。碳納米管還具有比表面大、吸附力強等特點。目前三十頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點第四章碳納米管的應用微電子器件：科學家已經(jīng)制成了碳納米管晶體管，體積是普通晶體管的十分之一，從而可以將集成電路尺寸降低兩個數(shù)量級。目前三十一頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點納米管鉛筆麻省理工大學創(chuàng)造的碳納米管鉛筆，筆芯由單壁碳納米管壓縮而成，可以讓人在紙上手繪碳納米管電路。目前三十二頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點柔軟電路碳納米管還可以制作柔軟電路，由無數(shù)碳納米管隨機重疊在一張魚網(wǎng)似結構上形成電路，切成一定的條狀，就可以作為微型電子線路。從而制成柔軟電路或透明顯示屏。目前三十三頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點透明的顯示屏目前三十四頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點場致發(fā)射器件碳納米管非常尖銳的理想電子發(fā)射源，其場發(fā)射閾值電壓可以降低到10V左右。可以用作制造顯像管、掃描電子顯微鏡、高能電子武器、靈敏開關、超高頻振蕩器、場致發(fā)射平板顯示器等。目前三十五頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點掃描隧道顯微鏡針尖因為碳納米管可以做的極為尖銳，且在接觸物體時只發(fā)生彎曲，離開界面是時立即可以恢復原來的形狀，因此可用作掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡針尖。目前三十六頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點信息存儲用碳納米管作為信息寫入及讀出探頭，其信息寫入和讀出點可達1.3nm，比目前市場上的現(xiàn)有商品高4個數(shù)量級，從而實現(xiàn)信息超高密度存儲。目前三十七頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點儲氫材料碳納米管具有優(yōu)良的吸氫能力，作為貯氫容量最大的吸附材料，碳納米管將有助于氫燃料汽車的發(fā)展。也可用于制造質子交換膜燃料電池。這種燃料電池通過消耗氫產(chǎn)生電力，排出的廢氣為水蒸氣，因此沒有污染。目前三十八頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點超級電容器超級電容器具有可大電流充放電，幾乎沒有充放電過電壓，循環(huán)壽命可達上萬次，工作溫度范圍寬等優(yōu)點。因此，超級電容器在移動通訊、信息技術、電動汽車、航空航天和國防科技等方面將具有極其重要和廣闊的應用前景。目前三十九頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點導熱材料

碳納米管可用于超高速運算的計算機芯片導熱板，發(fā)動機或者火箭等高溫部件的防護材料。目前四十頁\總數(shù)四十二頁\編于十五點其他應用在高分子材料中只要加入少量的碳納米管，使其具有抗靜電功能。碳納米管表現(xiàn)出較強的寬帶微波吸收性能，可用于隱形材料、電磁屏蔽材料或暗室吸波材料。與金屬形成高強度、耐高溫、抗磨損的金屬基復合材料；與陶瓷、水泥等的增強材料，提高其強度，改變其脆性，提高其抗沖擊性，耐磨耗等性能。還可用作鋰離子電池電極、質子交換膜燃料電池、催化劑載體、