纳米碳管

2000年9月NEWCARBONMATERIALSSep.2000文章编号:　100728827(2000)0320079202

知识介绍

纳米碳管

(CARBONNANOTUBE)

　　中图分类号:　TQ127.1+1　　　文献标识码:　E

　　纳米碳管(Carbonnanotube)是1991年才被发现的一种碳结构。理想纳米碳管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体。石墨烯的片层一般可以从一层到上百层,含有一层石墨烯片层的称为单壁纳米碳管(Single

walledcarbonnanotube,SWNT),多于一层的则称为多壁　　制法　纳米碳管主要制备方法有电弧法、热解法和激光蒸发法。其中电弧法与Wolfgang2Kratschmer法制备富勒烯类似,在惰性气体气氛中,两根石墨电极直流放电,阴极上产生纳米碳管。热解法就是采用过渡金属作催化剂,700K～

1600K的条件下,通过碳氢化合物的分解得到纳米碳管。激

纳米碳管(Multi2walledcarbonnanotube,MWNT)。SWNT的直径一般为1nm～6nm,最小直径大约为0.5nm,与C36分子的直径相当,但SWNT的直径大于6nm以后特别不稳定,会发生SWNT的塌陷,长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT的最小直径与富勒烯分子类似,故也有人称其为巴基管或富勒管。MWNT的层间距约为0.34nm,直径在几个纳米到几十纳米,长度一般在微米量级,最长者可达数毫米。由于纳米碳管具有较大的长径比,所以可以把其看成为准一维纳米材料。

纳米碳管中的碳原子以sp2杂化,但是由于存在一定曲率,所以其中也有一小部分碳属sp3杂化。在不考虑手性的情况下,SWNT可以由两个参量完全确定(直径和螺旋角或两个表示石墨烯的指数(nm)或者螺旋向量Cn和垂直

光刻蚀法采用激光刻蚀高温炉中的石墨靶子,纳米碳管就存在于惰性气体夹带的石墨蒸发产物中。纳米碳管的形成过程是游离态的碳原子或者碳原子团,发生重新排布的过程。制备SWNT时,必须添加一定数量的催化剂,如过渡元素(Ni、

Co、Fe等),或者镧系元素(Ld、Nd、La、Y等),或者它们的混

合物,这是制备SWNT与MWNT的主要差异。催化剂在

SWNT的生长过程中,能够降低弯曲应力,促进碳原子排列

整齐,并且阻止SWNT两端的富勒烯分子的形成。得到的纳米碳管的直径和直径分布主要取决于制备方法、催化剂的种类、生长温度等反应条件。

　　性能和应用　纳米碳管有许多奇特的性质产生许多与此相关应用。

纳米碳管的导电性质与其结构密切相关,纳米碳管的结构参数不同,其性质可以是金属性的或半导体性的。这个结果已经通过扫描隧道电子显微镜(STM)的观察证实。电子能带结构比较特殊,波矢被限定于轴向,在小直径的纳米碳管中量子效应尤为明显,实验中已经发现SWNT是真正的量子导线。同时,通过理论计算表明,如果把一根具有金属性的SWNT和一根具有半导体性的SWNT联接,可以形成全碳的SWNT杂化结,它具有一定的半导体特性,可以用作纳米级热敏电阻和光激发或电压激发的电子开关,可能用于微电子器件。

纳米碳管具有特别的场发射性能,可以作为电子,具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、不需要加热和高真空等优点,可以应用于平板显示器中。

石墨烯平面中碳2碳键是自然界中已知的最强的化学键之一,石墨中C11的弹性常数达1060GPa。纳米碳管的结构是比较完整的石墨烯网格,而且由于缺陷很少,SWNT的强度应该接近于碳2碳键强度。理论计算表明SWNT的杨氏模量与其直径以及螺旋角无关,杨氏模量和剪切模量与金刚石相当,强度可以达到1.0TPa以上。其强度大约为钢的100倍,而密度却只有钢的1󰃗6。在一定的温度范围内,用透射电

向量T),MWNT则需要三个以上的参数表示。

　　历史　纳米碳管研究是富勒烯(C60,C70…)继续,1991年,理论预计纳米碳管具有许多的奇特电学性能,几乎同时

NEC公司S.Iijima在高分辨电子显微镜下观察采用电弧法

制备的富勒烯中发现了一种管状结构,经过研究表明它们是同轴多层富勒管,被称为多壁纳米碳管,随后NEC公司的

T.W.Ebbesen和P.M.Ajayan找到大量制备MWNT方

法。虽然在70年代,研究气相热解炭的过程中,已经观察到这种纳米结构的碳,但是没有引起足够的重视。1993年S.I2

ijima和IBM公司的研究小组同时报道了观察到SWNT。在

早期实验中,制备的SWNT产率很低,SWNT的物理性质的研究开始于1995年,Rice大学的RichardSmalley研究小组发现激光蒸发方法可以得到极高产率的SWNT。此后,法国Montpellier大学的Bernier研究小组采用电弧法也可以得到高产率的SWNT。1998年,中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法也得到较高产率的SWNT。由于SWNT结构比较简单,理论研究也比较容易,所以开始了对纳米碳管的广泛研究。

　作者简介:李峰(19712),男,辽宁大连人,博士研究生,主要从事纳米碳管的制备和物性研究。

　・80・新　型　炭　材　料

米碳管物理性质)。

FullereneNanotubes:C1,000,000andBeyond.YakobsonandR.E.SmalleyAuthor:B.I

.:85(1997)324AmSci

第15卷

子显微镜(TEM)测量纳米碳管自由尖端热振动,得到它的振动频率以此来大致估计它们的杨氏模量,结果纳米碳管的杨氏模量要大于1.0TPa,超过石墨基平面的值。同时,实验观察也表明SWNT具有一定柔韧性,这表明它们能够在大的应力下不发生脆性断裂。此外,SWNT具有直径小、长径比大的特点,因此可以作为超级纤维,用于高级复合材料的增强体或者形成轻质、高强的绳索,可能用于宇宙飞船及其它高技术领域。

通过对SWNT的吸氢过程研究发现,氢可能以固体形式填充到SWNT的管体内部以及SWNT束之间的孔隙,因此SWNT具有极佳的储氢能力。推测SWNT的储氢量可达10%(重量比,因此可以用作储氢材料。为了使储氢能够使(一篇很有趣味的纳米碳管文章,以比较简单和容易理

解的语言来介绍纳米碳管的理论计算以及纳米碳管的可能

)应用,提出了纳米碳管可以作为通向宇宙天梯的想法。

CarbonNanotubesandRelatedStructures2NewMateri2alsfortheTwenty2FirstCenturyAuthor:PeterJFHarrisISBN:0521554462CambridgeUniversityPress296Publicationdate:25November1999

(关于纳米碳管最新的一本专著,Nature和Carbon等)杂志曾经在其出版时给予很高评价。

用,美国能源部(DOE)氢计划中可商业重复使用的氢吸附标准6.5%(存储的氢的重量占整个系统的百分比)或者体积密度为63kgH2󰃗m3。氢分子吸附在纯SWNT、MWNT和碱金属掺杂SWNT,极大地刺激了对纳米碳材料储氢性能的理论和实验研究,经济、安全氢存储介质是氢燃料在交通系统使用的关键部分。进一步阅读的资料

纳米碳管研究不断的深入,出版了一些关于纳米碳管的书籍,把它们介绍如下:

ScienceofFullerenes&CarbonNanotubesISBN:0122218205

Author:M.S.Dresselhaus,G.Dresselhaus,P.EklundAcademicPressPublished:March1996.965Pages(这是一本比较早的关于Fullerenes和纳米碳管的专

在Internet上纳米碳管

各种与纳米碳管的连接的网址:

由DTománek建立在MichiganStateuniversity

(http:󰃗󰃗www.pa.msu.edu󰃗cmp󰃗csc󰃗nanotube.html)的

DavidTomanek’sNanotubePage包含因特网上部分研究小

组的联接以及简单的评论,按各个小组与纳米碳管研究相关不同程度进行了简单的分类,对纳米碳管的会议以及事件也进行了通报。很多关于纳米碳管的主页建立该连接,从该连接出发可以遍历关于纳米碳管已及部分富勒烯的网站。该网站可以在线注册网址然后在该网页添加你的连接,而且有新的研究小组的网址不断的加入。

英国Reading大学的PeterJ.F.Harris(http:󰃗󰃗www.

～scsharip󰃗.htm)从纳米碳管的发现谈起,rdg.ac.uk󰃗tubes以特别简洁的文字对纳米碳管进行了大致的介绍。此外,还包括了一部分纳米碳管研究的连接,关于纳米碳管书和综述文献以及纳米碳管比较重要的文献和可以获得纳米碳管的商业网站连接。

在R.E.Smalley研究小组关于纳米碳管(http:󰃗󰃗cnst.

rice.edu󰃗reshome.html)主页可以了解纳米碳管的最新进展以及购买他们采用激光蒸发法制备的SWNT,特别值得一提的是他们建立了一个关于纳米碳管实验和理论模拟结果的图片库(http:󰃗󰃗cnst.rice.edu󰃗pics.html),其中大部分是纳米碳管的经典照片。

(李峰　白朔　成会明供稿)

著,主要内容是Fullerenes,其中第十九章和纳米碳管相关,论述了纳米碳管结构、性质、理论分析和实验方法等)

CarbonNanotubes,preparationandpropertiesISBN:0849396026Author:T.W.Ebbesen

CRCPressPublished1997;296Pages

(这是由在纳米碳管研究中学者分别针对纳米碳管的某

一方面内容加以论述,是比较好的炭材料和纳米碳管入门资

)料。

PhysicalPropertiesofCarbonNanotubesISBN:1286094209325.Author:RSaito,etal

ImperialCollegePressPublished1998;259Pages(主要侧重于纳米碳管理论研究,从理论计算来表述纳