碳納米管的電學(xué)特性研究

關(guān)于碳納米管的電學(xué)特性研究論文結(jié)構(gòu)論文分為五章：第一章緒論第二章碳納米管的結(jié)構(gòu)及其制備第三章碳納米管的電學(xué)性能第四章碳納米管的應(yīng)用第五章碳納米管研究與應(yīng)用展望第2頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第一章緒論碳納米管是石墨六方結(jié)構(gòu)繞同軸纏繞而成，空心的管子，兩端形成“帽狀”結(jié)構(gòu)，成為一端封閉或兩端封閉的筒結(jié)構(gòu)。如下圖：

第3頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天碳納米管研究應(yīng)用現(xiàn)狀近年來(lái)，納米概念被商家吵得沸沸揚(yáng)揚(yáng)，什么“納米空調(diào)”、“納米創(chuàng)可貼”、“納米毛巾”、“納米領(lǐng)帶”之類(lèi)的產(chǎn)品到處都是。納米技術(shù)前途光明，有著不可限量的應(yīng)用。但是它的應(yīng)用及推廣現(xiàn)在很多還集中在研究領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)階段。一些國(guó)家紛紛制定納米戰(zhàn)略，投入大量資金搶占納米技術(shù)高地。2005僅美國(guó)聯(lián)邦政府撥款就達(dá)10億美元。第4頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天碳納米管發(fā)展進(jìn)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(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。1993年,通過(guò)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(xué)家證實(shí)了其優(yōu)良的場(chǎng)發(fā)射性能。1996年，我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)碳納米管大面積定向生長(zhǎng)。1998年，科研人員應(yīng)用碳納米管作電子管陰極，并制作了室溫工作的場(chǎng)效應(yīng)晶體管。1999年，科學(xué)家發(fā)明了世界上最小的“秤”，它能夠稱量相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量。第5頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天碳納米管的應(yīng)用前景碳納米管具有獨(dú)特的電學(xué)、力學(xué)、儲(chǔ)氫、導(dǎo)熱性能，因此其擁有其他材料所不具有的獨(dú)特應(yīng)用。應(yīng)用主要涉及微電子器件、場(chǎng)致發(fā)射器件、掃描隧道顯微鏡針尖、信息存儲(chǔ)、超級(jí)電容器、儲(chǔ)氫材料、導(dǎo)熱材料、特殊吸附材料、鋰電池、質(zhì)子交換膜、催化劑載體、復(fù)合材料等方面。第6頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第二章納米碳管的結(jié)構(gòu)、制備及純化碳納米管的結(jié)構(gòu)：石墨層中碳原子的4個(gè)價(jià)電子中有3個(gè)成鍵，形成六邊形的石墨網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。石墨六方結(jié)構(gòu)繞同軸纏繞而成，空心的管子，兩端形成“帽狀”結(jié)構(gòu)，成為一端封閉或兩端封閉的筒結(jié)構(gòu)。直徑一般在1~30nm，長(zhǎng)度可達(dá)微米級(jí)別。第7頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天石墨層卷曲成碳納米管示意圖第8頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天實(shí)驗(yàn)中的碳管存在缺陷，通過(guò)引入拓?fù)淙毕?/7，5/6/7，5/6/6/7的方法可以形成各種類(lèi)型的異質(zhì)結(jié)。第9頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天碳納米管按層分類(lèi)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第10頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天按形態(tài)分類(lèi)碳納米的端帽有多角形，錐形、半環(huán)形和開(kāi)口形結(jié)構(gòu)；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)第11頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天按手性分類(lèi)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。第12頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(shí)加入催化劑用使之進(jìn)行反應(yīng)，可制備碳納米管?；瘜W(xué)氣相沉積法：通過(guò)烴類(lèi)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(yáng)能法等。第13頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天碳納米管的純化物理純化法：根據(jù)碳納米管與雜質(zhì)之間物理特性方面的差異分離雜質(zhì)從而獲得純的碳納米管?；瘜W(xué)純化法：化學(xué)純化法是利用碳納米管與碳納米顆粒等雜質(zhì)之間的氧化速率不一致來(lái)實(shí)現(xiàn)的。綜合純化法：通過(guò)物理、化學(xué)方法優(yōu)化組合來(lái)進(jìn)行純化的綜合法。第14頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第三章碳納米的電學(xué)性質(zhì)單壁碳納米管可以認(rèn)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：第15頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第16頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第17頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天碳納米管能帶分析

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(jié)構(gòu)得到單壁碳納米管的能帶結(jié)構(gòu)。它在實(shí)空間中及倒易空間中常用的元胞和基矢的選取法如右圖。第18頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天石墨能帶結(jié)構(gòu)

石墨能帶結(jié)構(gòu)分布如右圖。因?yàn)槭軒ЫY(jié)構(gòu)中，價(jià)帶和導(dǎo)帶僅在第一布里淵區(qū)的六個(gè)頂點(diǎn)處簡(jiǎn)并，所以石墨結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為半金屬。第19頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天碳納米管沿管軸方向具有平移對(duì)稱性，在倒格子基矢k1和k2：第20頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天石墨在實(shí)空間與倒空間的元胞。石墨與碳管的第一布里淵區(qū)。第21頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天上面圖中正六邊形為石墨結(jié)構(gòu)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(duì)石墨的布里淵區(qū)進(jìn)行折疊，間距為，如果K點(diǎn)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(dǎo)體。第22頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天因此當(dāng)(n-m)是3的整數(shù)倍時(shí)，即（n-m）=3r,r為整數(shù)時(shí)，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(dǎo)體。第23頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天導(dǎo)電性質(zhì)受量子效應(yīng)的影響，隨螺旋角及直徑的不同，單壁碳納米管的導(dǎo)電性可呈金屬、半金屬或半導(dǎo)體性。螺旋矢量中n=m時(shí)，碳納米管電導(dǎo)率可達(dá)銅的1萬(wàn)倍同一根碳納米管上的不同部位，由于結(jié)構(gòu)的變化，也可以呈現(xiàn)出不同的導(dǎo)電性。兩個(gè)單層碳納米管同軸套構(gòu)所形成的雙層碳納米管，仍然保持其導(dǎo)電特性。第24頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天場(chǎng)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(chǎng)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(wú)需加熱和無(wú)需高真空等優(yōu)點(diǎn)，廣泛的應(yīng)用于顯像管、掃描電子顯微鏡、高能電子武器，設(shè)計(jì)制作靈敏開(kāi)關(guān)、超高頻振蕩器、場(chǎng)致發(fā)射平板顯示器。第25頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天彈道輸運(yùn)特性導(dǎo)電材料中的電子在電場(chǎng)中加速時(shí)能夠飛行的最遠(yuǎn)距離稱為射程。傳導(dǎo)電子因受晶格振動(dòng)及雜質(zhì)的散射而產(chǎn)生一定的電阻。碳納米管網(wǎng)格長(zhǎng)度比其他原子形成的短，雜質(zhì)難以將其置換，因此在電子傳輸時(shí)不會(huì)因雜質(zhì)引起散射，故能形成彈道輸運(yùn)。室溫下電子的彈道輸運(yùn)類(lèi)似于光子在光纖中無(wú)能量損失飛行一樣。第26頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天磁場(chǎng)效應(yīng)當(dāng)金屬圓筒的軸向與外磁場(chǎng)方向平行時(shí)，且軸向有電流時(shí)，圓筒的電阻將改變前后之差稱為磁阻。碳納米管在磁場(chǎng)作用下可以發(fā)生金屬和絕緣體的轉(zhuǎn)化，這種轉(zhuǎn)化受納米管半徑，螺旋性和外加磁場(chǎng)方向影響。第27頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天庫(kù)侖阻塞效應(yīng)當(dāng)外電子注入碳納米管這一微小的電容器時(shí)，如果電容足夠小，只要注入1個(gè)電子就會(huì)產(chǎn)生足夠高的反向電壓使電路阻斷。科學(xué)家用單根單層碳納米管和3個(gè)電極，研制了可在室溫下工作的場(chǎng)效應(yīng)三極管。當(dāng)施加合適的柵極電壓時(shí)，碳納米管便由導(dǎo)體變?yōu)榻^緣體，從而實(shí)現(xiàn)了“0”、“1”狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。第28頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天量子限域效應(yīng)電子在碳納米管的徑向運(yùn)動(dòng)受到限制，表現(xiàn)出典型的量子限域效應(yīng)。電子在軸向的運(yùn)動(dòng)不受任何限制。無(wú)缺陷金屬性碳納米管被認(rèn)為是彈道式導(dǎo)體，其導(dǎo)電性能僅次于超導(dǎo)體。電子在碳納米管中的傳輸就像光信號(hào)在光學(xué)纖維電纜中傳輸一樣，能量損失微小。因此，可以認(rèn)為碳納米管是一維量子導(dǎo)線。第29頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天碳納米管的其他性能力學(xué)性質(zhì)：碳納米管具有極高的強(qiáng)度和極大的韌性。其強(qiáng)度約為鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/6。儲(chǔ)氫性能：碳納米管高的比表面積使其管道結(jié)構(gòu)及多壁碳管之間的類(lèi)石墨層空隙，使其成為最有潛力的儲(chǔ)氫材料。導(dǎo)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(qiáng)等特點(diǎn)。第30頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第四章碳納米管的應(yīng)用微電子器件：科學(xué)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(gè)數(shù)量級(jí)。第31頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天納米管鉛筆麻省理工大學(xué)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。第32頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天柔軟電路碳納米管還可以制作柔軟電路，由無(wú)數(shù)碳納米管隨機(jī)重疊在一張魚(yú)網(wǎng)似結(jié)構(gòu)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。第33頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天透明的顯示屏第34頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天場(chǎng)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(chǎng)發(fā)射閾值電壓可以降低到10V左右?？梢杂米髦圃祜@像管、掃描電子顯微鏡、高能電子武器、靈敏開(kāi)關(guān)、超高頻振蕩器、場(chǎng)致發(fā)射平板顯示器等。第35頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天掃描隧道顯微鏡針尖

因?yàn)樘技{米管可以做的極為尖銳，且在接觸物體時(shí)只發(fā)生彎曲，離開(kāi)界面是時(shí)立即可以恢復(fù)原來(lái)的形狀，因此可用作掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡針尖。第36頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天信息存儲(chǔ)用碳納米管作為信息寫(xiě)入及讀出探頭，其信息寫(xiě)入和讀出點(diǎn)可達(dá)1.3nm，比目前市場(chǎng)上的現(xiàn)有商品高4個(gè)數(shù)量級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)信息超高密度存儲(chǔ)。第37頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天儲(chǔ)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(chē)的發(fā)展。也可用于制造質(zhì)子交換膜燃料電池。這種燃料電池通過(guò)消耗氫產(chǎn)生電力，排出的廢氣為水蒸氣，因此沒(méi)有污染。第38頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天超級(jí)電容器超級(jí)電容器具有可大電流充放電，幾乎沒(méi)有充放電過(guò)電壓，循環(huán)壽命可達(dá)上萬(wàn)次，工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。因此，超級(jí)電容器在移動(dòng)通訊、信息技術(shù)、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天和國(guó)防科技等方面將具有極其重要和廣闊的應(yīng)用前景。第39頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天導(dǎo)熱材料

碳納米管可用于超高速運(yùn)算的計(jì)算機(jī)芯片導(dǎo)熱板，發(fā)動(dòng)機(jī)或者火箭等高溫部件的防護(hù)材料。第40頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天其他應(yīng)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(qiáng)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(qiáng)度、耐高溫、抗磨損的金屬基復(fù)合材料；與陶瓷、水泥等的增強(qiáng)材料，提高其強(qiáng)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(zhì)子交換膜燃料電池、催化劑載體、吸附材料、傳感器、防彈背心、抗震建筑等。第41頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天第五章碳納米管研究與應(yīng)用展望隨著碳納米管研究的逐步深入和納米科技的快速發(fā)展，將帶動(dòng)一系列相關(guān)高科技產(chǎn)業(yè)的興起和發(fā)展，成為最有前途的材料。碳納米管將對(duì)眾多領(lǐng)域產(chǎn)生深刻影響，并給人類(lèi)帶來(lái)巨大的利益。當(dāng)然還有一些問(wèn)題有待解決：碳納米管的生長(zhǎng)機(jī)制還沒(méi)有搞清楚，一般制備的碳納米管結(jié)構(gòu)上都有一些缺陷，檢測(cè)儀器手段等還有許多不盡如人意的地方。第42頁(yè),共45頁(yè)，2024年2月25日，星期天參考文獻(xiàn)【1】程筠甘仲惟.碳納米管研究綜述.高等函授學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2000，02:21-23【2】陳展虹.碳納米管結(jié)構(gòu)概述.福建教育學(xué)報(bào)，2003，10