碳納米管和納米金剛石膜課件

1、C60C60分子被看作是碳材料的零維形式分子被看作是碳材料的零維形式C60C60及富勒烯化合物及富勒烯化合物19851985年英國(guó)年英國(guó)SussexSussex大學(xué)的大學(xué)的KrotoKroto教教授和美國(guó)授和美國(guó)SliceSlice大學(xué)的大學(xué)的SmalleySmalley教教授發(fā)現(xiàn)授發(fā)現(xiàn)碳納米管是碳材料的一維形式碳納米管是碳材料的一維形式碳納米管（碳納米管（CNTsCNTs） 19911991年，日本科學(xué)家年，日本科學(xué)家飯島（飯島（IijimaIijima）發(fā)現(xiàn)，在）發(fā)現(xiàn)，在NatureNature發(fā)表文章公布了他發(fā)表文章公布了他的發(fā)現(xiàn)成果，這是碳的又一同的發(fā)現(xiàn)成果，這是碳的又一同素異型體。素

2、異型體。 由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的同軸中空無(wú)由單層或多層石墨片繞中心按一定角度卷曲而成的同軸中空無(wú)縫管狀結(jié)構(gòu)，其管壁大都是由六邊形碳原子網(wǎng)格組成?？p管狀結(jié)構(gòu)，其管壁大都是由六邊形碳原子網(wǎng)格組成。 根據(jù)管壁層數(shù)不同，一般分為單層碳納米管和多層碳納米管；根據(jù)管壁層數(shù)不同，一般分為單層碳納米管和多層碳納米管； 單壁碳納米管（單壁碳納米管（Single-walled nanotubes, SWNTsSingle-walled nanotubes, SWNTs）：由一層）：由一層石墨烯片組成。單壁管典型的直徑和長(zhǎng)度分別為石墨烯片組成。單壁管典型的直徑和長(zhǎng)度分別為 0.750.753n

3、m3nm和和1 150m50m。又稱富勒管。又稱富勒管(Fullerenes tubes(Fullerenes tubes） 多壁碳納米管（多壁碳納米管（Multi-walled nanotubes, MWNTsMulti-walled nanotubes, MWNTs）：含有多）：含有多層石墨烯片。形狀象個(gè)同軸電纜。其層數(shù)從層石墨烯片。形狀象個(gè)同軸電纜。其層數(shù)從2 25050不等，層間不等，層間距為距為0.340.340.01nm0.01nm，與石墨層間距，與石墨層間距 (0.34nm)(0.34nm)相當(dāng)。多壁管的相當(dāng)。多壁管的典型直徑和長(zhǎng)度分別為典型直徑和長(zhǎng)度分別為2 230nm30nm

4、和和0.10.150m50m。 (n,n)(n,0) Armchair (n,n) Zig-Zag (n,0) Chiral (n,m) n m根據(jù)碳納米管中碳六邊形網(wǎng)格根據(jù)碳納米管中碳六邊形網(wǎng)格沿軸向的不同取向，可將其分沿軸向的不同取向，可將其分為扶手椅型，鋸齒型和螺旋型為扶手椅型，鋸齒型和螺旋型三種三種( (如圖所示如圖所示) )。二維石墨片層按不同方向卷曲形成的二維石墨片層按不同方向卷曲形成的 不同結(jié)構(gòu)的碳納米管不同結(jié)構(gòu)的碳納米管 Armchair (n,n) Zig-Zag (n,0) Chiral (n,m) n m在晶體學(xué)中，只靠平移和旋轉(zhuǎn)操作在晶體學(xué)中，只靠平移和旋轉(zhuǎn)操作無(wú)法使自

5、身完全重合的晶體稱為手無(wú)法使自身完全重合的晶體稱為手性型晶體。性型晶體。按手性分類，碳納米管可以分為非按手性分類，碳納米管可以分為非手性型（對(duì)稱型）和手性型（非對(duì)手性型（對(duì)稱型）和手性型（非對(duì)稱型），其中手性碳納米管又被稱稱型），其中手性碳納米管又被稱為為“螺旋式螺旋式”碳納米管；非手性型碳納米管；非手性型碳納米管即碳納米管即“椅式椅式”和和“鋸齒式鋸齒式”兩種。兩種。 Armchair(n,m)=(5,5)Zigzag(n,m)=(9,0)如果定義如果定義a1a1和和a2a2為石墨烯的基矢，則可利用兩個(gè)參數(shù)為石墨烯的基矢，則可利用兩個(gè)參數(shù)m m和和n n描述特定的碳納描述特定的碳納米管，由此

6、可以得到碳納米管的許多重要物理量，包括直徑、螺旋角、卷米管，由此可以得到碳納米管的許多重要物理量，包括直徑、螺旋角、卷曲類型、導(dǎo)電性質(zhì)、態(tài)密度、單位體積原子數(shù)等等。曲類型、導(dǎo)電性質(zhì)、態(tài)密度、單位體積原子數(shù)等等。單壁碳納米管的直徑一般較小，故圓周方向（徑向截面）上的碳原子著通單壁碳納米管的直徑一般較小，故圓周方向（徑向截面）上的碳原子著通常很少（常很少（10104040個(gè)），但是沿圓柱軸向的長(zhǎng)度大得多，通常可以達(dá)到微米個(gè)），但是沿圓柱軸向的長(zhǎng)度大得多，通常可以達(dá)到微米數(shù)量級(jí)數(shù)量級(jí)。（a）(4,2)碳納米管未卷曲的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，碳管的螺旋矢量碳納米管未卷曲的蜂窩狀晶格結(jié)構(gòu)，碳管的螺旋矢量Ch由矢

7、量由矢量OA確定，平移矢確定，平移矢量量T由矢量由矢量OB確定，方框確定，方框OABB表示碳管的一個(gè)晶胞；表示碳管的一個(gè)晶胞；（b）(4,2) 碳納米管示意圖，平移矢量碳納米管示意圖，平移矢量T也在圖上標(biāo)出也在圖上標(biāo)出.每個(gè)單壁碳納米管都有一個(gè)特定的螺旋矢量每個(gè)單壁碳納米管都有一個(gè)特定的螺旋矢量C Ch h，它的表示如下：，它的表示如下：C Ch h = na = na1 1 + + mama2 2 其中，其中，a a1 1、a a2 2為基矢，為基矢，n n、m m為整數(shù)。如圖所示，通過卷曲使晶格為整數(shù)。如圖所示，通過卷曲使晶格O O點(diǎn)點(diǎn)(0,0)(0,0)和任意等價(jià)晶格和任意等價(jià)晶格A A

8、點(diǎn)點(diǎn)(n, m)(n, m)重合，就可以得到一個(gè)無(wú)縫碳原子的圓柱面。矢量重合，就可以得到一個(gè)無(wú)縫碳原子的圓柱面。矢量OAOA即為螺旋矢量即為螺旋矢量C Ch h。C Ch h與基矢與基矢a a1 1可以決定一個(gè)角度，即所謂的螺旋角可以決定一個(gè)角度，即所謂的螺旋角。不同的碳納米管具有不同的不同的碳納米管具有不同的n n，m m值和值和值。值。當(dāng)當(dāng)n=mn=m， =30=30時(shí)，形成椅式單壁納米管；時(shí)，形成椅式單壁納米管；當(dāng)當(dāng)n n或者或者m m為為0 0， =0=0時(shí)，形成鋸齒形納米管；時(shí)，形成鋸齒形納米管；處于處于0 0和和3030之間，形成手性納米管。之間，形成手性納米管。3 , nmq q

9、other是 整 數(shù)表 現(xiàn) 金 屬 性表 現(xiàn) 半 導(dǎo) 體 性碳納米管表面的結(jié)構(gòu)主要以碳納米管表面的結(jié)構(gòu)主要以六邊形為主，在產(chǎn)生拓?fù)淙绷呅螢橹?，在產(chǎn)生拓?fù)淙毕莸奈恢脮?huì)出現(xiàn)五邊形或七陷的位置會(huì)出現(xiàn)五邊形或七邊形。邊形。 實(shí)驗(yàn)觀察到碳納米管表實(shí)驗(yàn)觀察到碳納米管表面的六邊形網(wǎng)格中若出現(xiàn)五面的六邊形網(wǎng)格中若出現(xiàn)五邊形或七邊形，就會(huì)產(chǎn)生不邊形或七邊形，就會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則結(jié)構(gòu)。規(guī)則結(jié)構(gòu)。 Y-型結(jié)構(gòu)的碳納米管型結(jié)構(gòu)的碳納米管(a)五邊形的引入導(dǎo)致六邊形五邊形的引入導(dǎo)致六邊形 網(wǎng)格平面正向彎曲；網(wǎng)格平面正向彎曲；(b) 七邊形的引入導(dǎo)致六邊七邊形的引入導(dǎo)致六邊 形網(wǎng)格平面負(fù)向彎曲形網(wǎng)格平面負(fù)向彎曲分子結(jié)分子結(jié)(

10、Intramolecular Junction) 是指通過在是指通過在單壁碳納米管中引入一對(duì)五邊形單壁碳納米管中引入一對(duì)五邊形-七邊形缺陷將七邊形缺陷將兩段或多段單壁碳納米管連接起來(lái)而形成的結(jié)。兩段或多段單壁碳納米管連接起來(lái)而形成的結(jié)。碳納米管有金屬型碳納米管有金屬型(簡(jiǎn)記為簡(jiǎn)記為M)和半導(dǎo)體型和半導(dǎo)體型(簡(jiǎn)記為簡(jiǎn)記為S)兩種之分，因此組合起來(lái)就可能有兩種之分，因此組合起來(lái)就可能有MM、MS和和SS三種分子結(jié)。三種分子結(jié)。研究發(fā)現(xiàn)：研究發(fā)現(xiàn)：MS分子結(jié)有著非線性的分子結(jié)有著非線性的I-V 特性，特性，好像一個(gè)整流二極管；而好像一個(gè)整流二極管；而MM分子結(jié)表現(xiàn)出的電分子結(jié)表現(xiàn)出的電導(dǎo)對(duì)溫度呈導(dǎo)對(duì)

11、溫度呈a次方依賴關(guān)系。次方依賴關(guān)系。 q電弧室充惰性氣體保護(hù)，兩石墨棒電弧室充惰性氣體保護(hù)，兩石墨棒電極靠近，拉起電弧，再拉開，以保電極靠近，拉起電弧，再拉開，以保持電弧穩(wěn)定。放電過程中陽(yáng)極溫度相持電弧穩(wěn)定。放電過程中陽(yáng)極溫度相對(duì)陰極較高，所以陽(yáng)極石墨棒不斷被對(duì)陰極較高，所以陽(yáng)極石墨棒不斷被消耗，同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有消耗，同時(shí)在石墨陰極上沉積出含有碳納米管的產(chǎn)物。碳納米管的產(chǎn)物。q電弧法多采用直流電弧，電弧放電電弧法多采用直流電弧，電弧放電條件一般為：電極電壓條件一般為：電極電壓202030V30V；電；電流流5050150A150A；氣體壓力；氣體壓力101080kPa80kPa。產(chǎn)率

12、產(chǎn)率5050。IijimaIijima等生產(chǎn)出了半徑約等生產(chǎn)出了半徑約1 nm1 nm的單層碳管。的單層碳管。Materials Today, Oct 2004, pages 22-49.傳統(tǒng)的電弧放電法只能制備多層納傳統(tǒng)的電弧放電法只能制備多層納米碳管，只有在加入金屬催化劑時(shí)米碳管，只有在加入金屬催化劑時(shí)才可能得到單層碳納米管，由此可才可能得到單層碳納米管，由此可見催化劑對(duì)于單層碳納米管的生長(zhǎng)見催化劑對(duì)于單層碳納米管的生長(zhǎng)是必不可少的。是必不可少的。激光蒸發(fā)法制備碳納米管的裝置激光蒸發(fā)法制備碳納米管的裝置在加熱爐中的石英玻璃管內(nèi)放一根石墨靶（含或不含金屬催化劑），將爐在加熱爐中的石英玻璃管內(nèi)

13、放一根石墨靶（含或不含金屬催化劑），將爐溫控制在溫控制在85085012001200，激光束蒸發(fā)石墨靶，被蒸發(fā)的碳在凝聚時(shí)形成單，激光束蒸發(fā)石墨靶，被蒸發(fā)的碳在凝聚時(shí)形成單壁或多壁碳納米管，同時(shí)伴隨有其他碳產(chǎn)物的形成。石英管內(nèi)通常充入壁或多壁碳納米管，同時(shí)伴隨有其他碳產(chǎn)物的形成。石英管內(nèi)通常充入HeHe或或ArAr，也可以是流動(dòng)的惰性氣體，也可以是流動(dòng)的惰性氣體LA制備的制備的SWNT束的束的TEM照照片片Science 273 , 483487(1996)單層碳納米管的直徑可以通過改變激光脈沖功率來(lái)控制，也可以通單層碳納米管的直徑可以通過改變激光脈沖功率來(lái)控制，也可以通過催化劑的選擇來(lái)控制。

14、過催化劑的選擇來(lái)控制。激光脈沖功率的增加會(huì)使單層碳納米管的直徑變激光脈沖功率的增加會(huì)使單層碳納米管的直徑變小，這與更高脈沖功率將產(chǎn)生更小的片段有關(guān)。催化劑的選擇在一定程度上小，這與更高脈沖功率將產(chǎn)生更小的片段有關(guān)。催化劑的選擇在一定程度上可以影響單層碳納米管的直徑可以影響單層碳納米管的直徑。 利用液體（乙醇、甲醇等）、氣體（乙炔、乙烯、甲烷等）利用液體（乙醇、甲醇等）、氣體（乙炔、乙烯、甲烷等）和固體（煤炭、木炭）等產(chǎn)生火焰分解其碳和固體（煤炭、木炭）等產(chǎn)生火焰分解其碳-氫化合物獲得游歷氫化合物獲得游歷碳原子，為合成碳納米管提供碳源；然后將基板材料做適當(dāng)處碳原子，為合成碳納米管提供碳源；然后將

15、基板材料做適當(dāng)處理，最后將基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃燒一段理，最后將基板的一面向下，面向火焰放入火焰中，燃燒一段時(shí)間后取出?；迳系淖睾郑ê冢┥仁翘技{米管或碳納米纖時(shí)間后取出?；迳系淖睾郑ê冢┥仁翘技{米管或碳納米纖維。維。 產(chǎn)生碳納米管或碳納米纖維的過程主要決定于基板的性質(zhì)。產(chǎn)生碳納米管或碳納米纖維的過程主要決定于基板的性質(zhì)。基板的選擇和處理、燃料的選擇等是本方法的關(guān)鍵技術(shù)。基板的選擇和處理、燃料的選擇等是本方法的關(guān)鍵技術(shù)。 優(yōu)點(diǎn)有：合成過程無(wú)需真空、保護(hù)氣氛；無(wú)需催化劑；可以在優(yōu)點(diǎn)有：合成過程無(wú)需真空、保護(hù)氣氛；無(wú)需催化劑；可以在大的表面上合成，特別適合于在一個(gè)平面上形成一

16、層均勻的碳大的表面上合成，特別適合于在一個(gè)平面上形成一層均勻的碳納米管或碳納米纖維薄膜；納米管或碳納米纖維薄膜； 成本較低，對(duì)環(huán)境的污染也非常成本較低，對(duì)環(huán)境的污染也非常小。小。 可以實(shí)現(xiàn)大批量合成?？梢詫?shí)現(xiàn)大批量合成。 與其他方法相同，單層碳納米管的生長(zhǎng)需要金屬催化劑，不同與其他方法相同，單層碳納米管的生長(zhǎng)需要金屬催化劑，不同的催化劑也會(huì)對(duì)單層碳納米管的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定影響。另外，不同的碳的催化劑也會(huì)對(duì)單層碳納米管的生長(zhǎng)產(chǎn)生一定影響。另外，不同的碳源不僅可以改變單層碳納米管的生長(zhǎng)溫度，也可以影響單層碳納米管源不僅可以改變單層碳納米管的生長(zhǎng)溫度，也可以影響單層碳納米管的產(chǎn)量及結(jié)構(gòu)。的產(chǎn)量及結(jié)構(gòu)?；?/p>

17、學(xué)氣相沉積法又稱為催化裂解法，這種方法在特定的溫度下使含碳的化學(xué)氣相沉積法又稱為催化裂解法，這種方法在特定的溫度下使含碳的有機(jī)氣體發(fā)生分解而提供碳源，并在催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管有機(jī)氣體發(fā)生分解而提供碳源，并在催化劑的作用下實(shí)現(xiàn)單壁碳納米管的生長(zhǎng)。根據(jù)催化劑引入方式的不同，氣相沉積法又可以分為基種法和的生長(zhǎng)。根據(jù)催化劑引入方式的不同，氣相沉積法又可以分為基種法和浮動(dòng)法兩類。浮動(dòng)法兩類。基種法：基種法：用碳?xì)浠衔餅樘荚?，氫氣為還原氣，在催化劑作用下，在管用碳?xì)浠衔餅樘荚?，氫氣為還原氣，在催化劑作用下，在管式爐中裂解原料氣形成自由碳原子，并沉積在催化劑上，最終形成碳納式爐中裂解原料氣形成

18、自由碳原子，并沉積在催化劑上，最終形成碳納米管。米管。常用的碳?xì)浠衔锇淄?、一氧化碳、苯等，而金屬催化劑包括過渡常用的碳?xì)浠衔锇淄椤⒁谎趸?、苯等，而金屬催化劑包括過渡金屬金屬( Fe ( Fe 、Co Co 、Ni Ni 及及Mo Mo 等等) ) 以及它們的氧化物。以及它們的氧化物。浮動(dòng)法：浮動(dòng)法：催化劑與碳源配成溶液（苯或正己烷與二茂鐵的混合溶液），催化劑與碳源配成溶液（苯或正己烷與二茂鐵的混合溶液），隨載氣隨載氣( (氫氣氫氣) )一起進(jìn)入反應(yīng)室。一起進(jìn)入反應(yīng)室。 基本方法與SWNT相似，包括： 電弧放電法 激光蒸發(fā)法 CVD法 高溫分解C-H化合物法 雙壁碳納米管 電弧放電

19、法Nature 2005 , 433 , 476利用石墨電弧法和催化裂解法等制備方法合成的碳納米管常利用石墨電弧法和催化裂解法等制備方法合成的碳納米管常含有較多雜質(zhì)，如含有較多雜質(zhì)，如碳納米顆粒、無(wú)定形碳、碳納米球及催化碳納米顆粒、無(wú)定形碳、碳納米球及催化劑粒子劑粒子等，極大地阻礙了碳納米管的物性研究和實(shí)際應(yīng)用。等，極大地阻礙了碳納米管的物性研究和實(shí)際應(yīng)用。因此需要對(duì)因此需要對(duì)碳納米管進(jìn)行純化碳納米管進(jìn)行純化。純化途徑主要是純化途徑主要是利用碳納米管與無(wú)定形碳等雜質(zhì)的物化性質(zhì)利用碳納米管與無(wú)定形碳等雜質(zhì)的物化性質(zhì)的差別來(lái)達(dá)到純化的差別來(lái)達(dá)到純化的目的，提純方法主要有的目的，提純方法主要有氣相氧

20、化法和液氣相氧化法和液相氧化法相氧化法。液相氧化是利用液相氧化是利用碳納米管比非晶碳、超細(xì)石墨粒子等雜質(zhì)的拓?fù)涮技{米管比非晶碳、超細(xì)石墨粒子等雜質(zhì)的拓?fù)漕惾毕荩ㄎ逶h(huán)或七元環(huán)）少這一差異類缺陷（五元環(huán)或七元環(huán)）少這一差異，來(lái)達(dá)到提純的目的。，來(lái)達(dá)到提純的目的。液相氧化法的反應(yīng)條件較溫和，易于控制。液相氧化法的反應(yīng)條件較溫和，易于控制。目前主要的氧化劑有高錳酸鉀、重鉻酸鉀、硝酸、雙氧水等。目前主要的氧化劑有高錳酸鉀、重鉻酸鉀、硝酸、雙氧水等。采用液相氧化處理后，可得到克量級(jí)的純凈碳納米管，同時(shí)也有采用液相氧化處理后，可得到克量級(jí)的純凈碳納米管，同時(shí)也有大量的碳納米管大量的碳納米管的端帽被打開的端

21、帽被打開。另外，也會(huì)使。另外，也會(huì)使碳納米管變短碳納米管變短。與六邊形碳環(huán)相比，與六邊形碳環(huán)相比，五邊形碳環(huán)和七邊形碳環(huán)處于亞穩(wěn)定態(tài)，環(huán)五邊形碳環(huán)和七邊形碳環(huán)處于亞穩(wěn)定態(tài)，環(huán)上的碳原子能量較高，比較活潑，易被氧化上的碳原子能量較高，比較活潑，易被氧化。因此自由氧原子首。因此自由氧原子首先從五邊形碳環(huán)和七邊形碳環(huán)聚集的碳納米管曲率較大的部位開先從五邊形碳環(huán)和七邊形碳環(huán)聚集的碳納米管曲率較大的部位開始氧化。當(dāng)氧化到一定程度，碳納米管從曲率較大部位被打斷，始氧化。當(dāng)氧化到一定程度，碳納米管從曲率較大部位被打斷，纏繞的團(tuán)簇分散成較短、曲率較小且末端開口的碳納米管。纏繞的團(tuán)簇分散成較短、曲率較小且末端開

22、口的碳納米管。 在碳納米管制備過程中，會(huì)有碳納米顆粒、非晶碳等雜質(zhì)在碳納米管制備過程中，會(huì)有碳納米顆粒、非晶碳等雜質(zhì)粘附在碳納米管四周，具有和封口相似的結(jié)構(gòu)。六元環(huán)比粘附在碳納米管四周，具有和封口相似的結(jié)構(gòu)。六元環(huán)比五元五元環(huán)、七元環(huán)穩(wěn)定，在氧化劑存在的情況下，五元環(huán)和七元環(huán)首環(huán)、七元環(huán)穩(wěn)定，在氧化劑存在的情況下，五元環(huán)和七元環(huán)首先被氧化，而六元環(huán)則需要較高溫度才能被氧化，因此碳納米先被氧化，而六元環(huán)則需要較高溫度才能被氧化，因此碳納米管的氧化溫度比碳納米顆粒、非晶碳等的氧化溫度高。管的氧化溫度比碳納米顆粒、非晶碳等的氧化溫度高。 氣相氧化法就是利用碳納米管和碳納米顆粒、非晶碳這一氣相氧化法就

23、是利用碳納米管和碳納米顆粒、非晶碳這一差異，通過精確控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及氣體流速等參數(shù)達(dá)差異，通過精確控制反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間及氣體流速等參數(shù)達(dá)到提純的目的。到提純的目的。 可分為氧氣（或空氣）和二氧化碳氧化法。可分為氧氣（或空氣）和二氧化碳氧化法。 空氣氧化法的提純收率很低空氣氧化法的提純收率很低，當(dāng)樣品的損失率達(dá)，當(dāng)樣品的損失率達(dá)99%99%以上以上時(shí)，殘留的樣品基本上是碳納米管。原因只要是碳納米顆粒、時(shí)，殘留的樣品基本上是碳納米管。原因只要是碳納米顆粒、非晶碳和碳納米管交織在一起，而且這些雜質(zhì)和碳納米管與空非晶碳和碳納米管交織在一起，而且這些雜質(zhì)和碳納米管與空氣反應(yīng)的選擇性較差。氣反應(yīng)

24、的選擇性較差。 當(dāng)當(dāng)SWNTSWNT被制造出來(lái)后，其長(zhǎng)度、直徑和電學(xué)性能都不一樣。被制造出來(lái)后，其長(zhǎng)度、直徑和電學(xué)性能都不一樣。因此，在使用它們之前，我們要根據(jù)性能將它們分離出來(lái)。因此，在使用它們之前，我們要根據(jù)性能將它們分離出來(lái)。常見的分離辦法有常見的分離辦法有1.按長(zhǎng)度分離。CNT的長(zhǎng)度不一樣，其質(zhì)量也會(huì)不一樣。采用離心法可以分離不同長(zhǎng)度的的CNT;2.按直徑分離。采用某些方法，如光照法，可以將CNT的直徑分布限制在某個(gè)特定范圍內(nèi);3.某些硝基鹽，如NO2BF4(四氟硼酸硝)或者NO2SbF6，它只溶解金屬性CNT。所以利用溶液法也可以分離（但該辦法只適合于直徑小于1.1nm的CNT）4.

25、2003年，雙向電泳法出現(xiàn)，它是一種能捕捉到80%以上金屬性CNT的方法碳納米管的物理性質(zhì)與它的結(jié)構(gòu)碳納米管的物理性質(zhì)與它的結(jié)構(gòu)( (如管直徑、碳原子排列的螺旋度等如管直徑、碳原子排列的螺旋度等) )密切相關(guān)密切相關(guān) 碳納米管的導(dǎo)電性可隨其螺旋度的不同而異，可以是金屬性的，也可以碳納米管的導(dǎo)電性可隨其螺旋度的不同而異，可以是金屬性的，也可以是半導(dǎo)體性的。是半導(dǎo)體性的。 碳納米管還有很獨(dú)特的熱學(xué)性質(zhì)。它具有比普通材料更高的比熱、更大碳納米管還有很獨(dú)特的熱學(xué)性質(zhì)。它具有比普通材料更高的比熱、更大的熱導(dǎo)。的熱導(dǎo)。 碳納米管的熱學(xué)性質(zhì)也與其結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。其比熱主要依賴于碳納米管的熱學(xué)性質(zhì)也與其結(jié)構(gòu)密切

26、相關(guān)。其比熱主要依賴于管的直徑和管的長(zhǎng)度。管的直徑和管的長(zhǎng)度。 碳納米管還有非凡的力學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)出很好的柔韌性?？梢猿惺芎艽蟮奶技{米管還有非凡的力學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)出很好的柔韌性。可以承受很大的拉伸應(yīng)變。拉伸應(yīng)變。 隨著碳納米管的粒徑減小隨著碳納米管的粒徑減小, ,比表面積增大，作為電極活性材料，表面增大比表面積增大，作為電極活性材料，表面增大會(huì)降低極化，增大放電容量，因而具有良好的電化學(xué)活性。會(huì)降低極化，增大放電容量，因而具有良好的電化學(xué)活性。碳納米管還有非凡的力學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)出很好的柔韌碳納米管還有非凡的力學(xué)性質(zhì)，表現(xiàn)出很好的柔韌性。可以承受很大的拉伸應(yīng)變。性?？梢猿惺芎艽蟮睦鞈?yīng)變。碳納米管的彈

27、性模量在碳納米管的彈性模量在1TPa1TPa左右以上，約為鋼的左右以上，約為鋼的5 5倍，倍，與金剛石的彈性模量幾乎相同與金剛石的彈性模量幾乎相同碳納米管的彈性應(yīng)變約為碳納米管的彈性應(yīng)變約為5 5，其斷裂過程不是脆性，其斷裂過程不是脆性斷裂，具有一定的塑性，能承受大于斷裂，具有一定的塑性，能承受大于4040的應(yīng)變，的應(yīng)變，理論計(jì)算的泊松比在理論計(jì)算的泊松比在0.150.150.280.28之間之間一維管具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而大量熱是沿著長(zhǎng)度方向傳遞一維管具有非常大的長(zhǎng)徑比，因而大量熱是沿著長(zhǎng)度方向傳遞的，通過合適的取向，這種管子可以合成高各向異性材料。雖的，通過合適的取向，這種管子可以合成高

28、各向異性材料。雖然在管軸平行方向的熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交然在管軸平行方向的熱交換性能很高，但在其垂直方向的熱交換性能較低。納米管的橫向尺寸比多數(shù)在室溫至換性能較低。納米管的橫向尺寸比多數(shù)在室溫至150oC電介質(zhì)電介質(zhì)的品格振動(dòng)波長(zhǎng)大一個(gè)量級(jí)，這使得彌散的納米管在散布聲子的品格振動(dòng)波長(zhǎng)大一個(gè)量級(jí)，這使得彌散的納米管在散布聲子界面的形成中是有效的，同時(shí)降低了導(dǎo)熱性能。適當(dāng)排列碳納界面的形成中是有效的，同時(shí)降低了導(dǎo)熱性能。適當(dāng)排列碳納米管可得到非常高的各向異性熱傳導(dǎo)材料。米管可得到非常高的各向異性熱傳導(dǎo)材料。 碳納米管的中空結(jié)構(gòu)，以及較石墨碳納米管的中空結(jié)構(gòu)，以及較石墨(0.335nm

29、)(0.335nm)略大的層間距略大的層間距(0.343nm)(0.343nm)，是否具有更加優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能，也成為科學(xué)家們，是否具有更加優(yōu)良的儲(chǔ)氫性能，也成為科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)。關(guān)注的焦點(diǎn)。特性特性單壁碳納米管單壁碳納米管比較比較尺寸尺寸直徑通常分布在直徑通常分布在0.60.61.8nm1.8nm間間電子束刻蝕可產(chǎn)生電子束刻蝕可產(chǎn)生50nm50nm寬、幾寬、幾nmnm厚的厚的線線密度密度1.331.331.40g/cm1.40g/cm3 3鋁的密度為鋁的密度為2.9g/cm2.9g/cm3 3抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度45GPa45GPa高強(qiáng)度鋼在高強(qiáng)度鋼在2GPa2GPa斷裂斷裂抗彎性能抗彎性能可以

30、大角度彎曲不變形，回可以大角度彎曲不變形，回復(fù)原狀復(fù)原狀金屬和碳纖維在晶界處破裂金屬和碳纖維在晶界處破裂載流容量載流容量估計(jì)估計(jì)1GA/cm1GA/cm2 2銅線在銅線在1000kA/cm1000kA/cm2 2時(shí)即燒毀時(shí)即燒毀場(chǎng)發(fā)射場(chǎng)發(fā)射電極間隔電極間隔1 1 m m時(shí)，在時(shí)，在1 13V3V可可以激發(fā)熒光以激發(fā)熒光鉬尖端發(fā)光需要鉬尖端發(fā)光需要5050100V/100V/ m m，且發(fā)光，且發(fā)光時(shí)間有限時(shí)間有限熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)室溫下有望達(dá)到室溫下有望達(dá)到6000W/(mK)6000W/(mK)金剛石為金剛石為6000W/(6000W/(mKmK) )溫度穩(wěn)定溫度穩(wěn)定性性真空中可穩(wěn)定至真空中可穩(wěn)定

31、至28002800空氣中可穩(wěn)定至空氣中可穩(wěn)定至750750微芯片上的金屬導(dǎo)線在微芯片上的金屬導(dǎo)線在60060010001000時(shí)時(shí)熔化熔化尺度范圍尺度范圍領(lǐng)域領(lǐng)域應(yīng)用應(yīng)用納米技術(shù)納米技術(shù)納米制造技術(shù)納米制造技術(shù)掃描探針顯微鏡的探針，納米類材料的模板，納米泵，納掃描探針顯微鏡的探針，納米類材料的模板，納米泵，納米管道，納米鉗，納米齒輪和納米機(jī)械的部件等米管道，納米鉗，納米齒輪和納米機(jī)械的部件等電子材料和器件電子材料和器件納米晶體管，納米導(dǎo)線，分子級(jí)開關(guān)，存儲(chǔ)器，微電池電納米晶體管，納米導(dǎo)線，分子級(jí)開關(guān)，存儲(chǔ)器，微電池電極，微波增幅器等極，微波增幅器等生物技術(shù)生物技術(shù)注射器，生物傳感器注射器，生物

32、傳感器醫(yī)藥醫(yī)藥膠囊（藥物包在其中并在有機(jī)體內(nèi)輸運(yùn)及放出）膠囊（藥物包在其中并在有機(jī)體內(nèi)輸運(yùn)及放出）化學(xué)化學(xué)納米化學(xué)，納米反應(yīng)器，化學(xué)傳感器等納米化學(xué)，納米反應(yīng)器，化學(xué)傳感器等宏觀材料宏觀材料復(fù)合材料復(fù)合材料增強(qiáng)樹脂、金屬、陶瓷和炭的復(fù)合材料，導(dǎo)電性復(fù)合材料增強(qiáng)樹脂、金屬、陶瓷和炭的復(fù)合材料，導(dǎo)電性復(fù)合材料，電磁屏蔽材料，吸波材料等，電磁屏蔽材料，吸波材料等電極材料電極材料電雙層電容（超級(jí)電容），鋰離子電池電極等電雙層電容（超級(jí)電容），鋰離子電池電極等電子源電子源場(chǎng)發(fā)射型電子源，平板顯示器，高壓熒光燈場(chǎng)發(fā)射型電子源，平板顯示器，高壓熒光燈能源能源氣態(tài)或電化學(xué)儲(chǔ)氫的材料氣態(tài)或電化學(xué)儲(chǔ)氫的材料化學(xué)化

33、學(xué)催化劑及其載體，有機(jī)化學(xué)原料催化劑及其載體，有機(jī)化學(xué)原料大多數(shù)金剛石膜是采用化學(xué)氣相沉積法合大多數(shù)金剛石膜是采用化學(xué)氣相沉積法合成，這種金剛石膜是由微米級(jí)多晶組成，成，這種金剛石膜是由微米級(jí)多晶組成，膜面粗糙，韌性較差，由于其高硬度及極膜面粗糙，韌性較差，由于其高硬度及極高的電阻率，使得后續(xù)加工難度很大。高的電阻率，使得后續(xù)加工難度很大。納納米金剛石膜米金剛石膜除了具有微米金剛石膜的性能除了具有微米金剛石膜的性能外，還表現(xiàn)出一些新的優(yōu)異性能，如，較外，還表現(xiàn)出一些新的優(yōu)異性能，如，較高的韌性、高的光潔度、低場(chǎng)發(fā)射開啟電高的韌性、高的光潔度、低場(chǎng)發(fā)射開啟電壓等。應(yīng)用前景非常廣闊。壓等。應(yīng)用前景

34、非常廣闊。 金剛石常見的晶面是(100)面，(111)不常見，(110)面更不常見 生長(zhǎng)參數(shù)定義為 ，其中u就是對(duì)應(yīng)晶面的生長(zhǎng)速度。那么生長(zhǎng)后的形狀為111100/3uu生長(zhǎng)參數(shù)不同，生長(zhǎng)后的形狀也不同，生長(zhǎng)后晶面的形狀主要由生長(zhǎng)參數(shù)決定，而不是單純由基底的晶向決定 金剛石薄膜中常出現(xiàn)不飽和鍵，特別是在邊界和晶體臺(tái)階處 常見缺陷有空位、位錯(cuò)、無(wú)序堆垛和孿晶 孿晶是金剛石薄膜中最常見的缺陷，其中以兩個(gè)相鄰晶粒共享111軸 常見生長(zhǎng)中用硼作p摻雜，用氮作n摻雜金剛石薄膜中的位錯(cuò)示意圖CVDCVD法以氫氣作為主要反應(yīng)氣體合成金剛石法以氫氣作為主要反應(yīng)氣體合成金剛石膜 的 方 法 有 ： 微 波 等 離 子 增 強(qiáng)膜 的 方 法 有 ： 微 波 等 離 子 增 強(qiáng) C V DC V D（MPECVDMPECVD）、熱絲）、熱絲CVDCVD（HFCVDHFCVD）、直流電?。?、直流電弧等離子體等離子體CVDCVD、電子回旋共振、電子回旋共振CVDCVD（ECRCVDECRCVD）法等等。以氫氣和另一種碳源（甲烷、丙酮法等等。以氫氣和另一種碳源（甲烷、丙酮等）為主要反應(yīng)氣體生成的金剛石膜是等）為主要反應(yīng)氣體生