碳納米管電學(xué)特性研究

1、關(guān)于碳納米管的電學(xué)特性研究第一張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月論文結(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)用展望第二張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第一章 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： 第三張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月碳納米管研究應(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，

2、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。第四張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月碳納米管發(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

3、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(chēng)量相當(dāng)于一個(gè)病毒的重量。第五張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月碳納米管的應(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。第六張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第二章 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

4、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130nm，長(zhǎng)度可達(dá)微米級(jí)別。第七張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月石墨層卷曲成碳納米管示意圖第八張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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)。第九張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月碳納米管按層分類(lèi)可分為單壁碳納米管和多壁碳納米管 單壁碳納米管 多壁碳納米管第十張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月按形態(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

5、Y形等； 碳納米管的特殊形態(tài)第十一張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月按手性分類(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。第十二張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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。第十三張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月碳納米管的純化物理純

6、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。第十四張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第三章 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(xiàn)段卷曲而成。螺旋矢量選定為 （n，m為整數(shù)），如右圖所示：第十五張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第十六張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第十七張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月碳納米管能帶分析 能帶折疊法：沿碳納米管圓周方向施加周期性邊界條件就

7、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 。第十八張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月石墨能帶結(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。第十九張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 碳納米管沿管軸方向具有平移對(duì)稱(chēng)性，在倒格子基矢k1和k2：第二十張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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)。第二十一張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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

8、線(xiàn)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。第二十二張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 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。第二十三張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月導(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)

9、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。第二十四張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月場(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。第二十五張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月彈道輸運(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(chēng)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

10、，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。第二十六張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月磁場(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(chēng)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。第二十七張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月庫(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

11、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。第二十八張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月量子限域效應(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(xiàn)。第二十九張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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

12、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)。第三十張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第四章 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)。第三十一張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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。第三十二張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月柔軟電路 碳納米管還可以制

13、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(xiàn)路。從而制成柔軟電路或透明顯示屏。第三十三張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月透明的顯示屏第三十四張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月場(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10 V 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(kāi)關(guān)、超高頻振蕩器、場(chǎng)致發(fā)射平板顯示器等。第三十五張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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

14、可用作掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡針尖。第三十六張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月信息存儲(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)。第三十七張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月儲(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。第三十八張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月超級(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)

15、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。第三十九張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月導(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。第四十張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月其他應(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

16、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。第四十一張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第五章 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。第四十二張，PPT共四十五頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月參考文獻(xiàn)【1】程 筠 甘仲惟.碳納米管研究綜述.高等函授學(xué)

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