CNTs 碳納米管簡(jiǎn)介剖析課件

碳納米管（CNTs）介紹碳納米管（CNTs）介紹簡(jiǎn)介碳納米管(carbonnanotubes,CNTs)于1991年由NEC(日本電氣)筑波研究所的飯島澄男(SumioIijima)首次以論文的形式報(bào)道出來(lái)的文獻(xiàn)一文獻(xiàn)二單壁碳納米管的首次介紹簡(jiǎn)介碳納米管(carbonnanotubes,CNTs)圖示圖片來(lái)源：劉劍洪，吳雙泉，碳納米管結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，深圳大學(xué)理工學(xué)報(bào)，2013圖示圖片來(lái)源：劉劍洪，吳雙泉，碳納米管結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，深圳大學(xué)121、1991年，S.Iijima在高分辨電鏡下觀察電弧蒸發(fā)后在石墨陰極上形成的硬質(zhì)沉積物時(shí)發(fā)現(xiàn)，陰極炭黑中含有一些直徑為4～30nm、長(zhǎng)約lμm的多層（2-50）空心管狀物即多壁碳納米管(multi-walledcarbonnanotubes，MWNTs)。該發(fā)現(xiàn)立即引起學(xué)界廣泛關(guān)注，在科學(xué)界掀起了繼發(fā)現(xiàn)C60之后關(guān)于碳的同素異形體的又一次研究熱潮。2、碳納米管以其獨(dú)特的物理化學(xué)特性（如獨(dú)特的金屬半導(dǎo)體特性、高機(jī)械強(qiáng)度、良好的吸附能力和微波吸收能力等）、新型準(zhǔn)一維功能材料及其誘人的應(yīng)用前景而日益受到人們的重視。3、主要對(duì)碳納米管(carbonnanotubes，CNTs)的發(fā)現(xiàn)及、制備、物理特性以及技術(shù)應(yīng)用等進(jìn)行簡(jiǎn)單討論。前言121、1991年，S.Iijima在高分辨電鏡下觀察電制備步驟：1、使兩個(gè)石墨電極保持一定的距離，兩電極的間隙很小以形成穩(wěn)定的電流，抽高真空后，在13.3kPa的氬氣中，陽(yáng)極被蒸發(fā)，產(chǎn)物中除了產(chǎn)生通常的碳灰外，在陰極上還形成了一些針狀物質(zhì)。2、這些碳針不是均勻地生長(zhǎng)在電極的表面上，而是傾向于在電極的某些部位成束生長(zhǎng)，在高分辨電鏡下觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些碳針由直徑為4～30nm、長(zhǎng)約lμm的2到50層的同心無(wú)縫管狀結(jié)構(gòu)組成。

圖五輝光放電制備碳納米管原理圖來(lái)源：張偉華，納米管制備方法，2013制備步驟：圖五輝光放電制備碳納米管原理圖6.7nm/五層5.5nm/兩層6.5nm/七層1、C圖案最里的圓直徑為2.2nm，由大約30個(gè)碳六環(huán)所組成，兩個(gè)相鄰碳六環(huán)（C圖最里）鍵角為6°2、生長(zhǎng)機(jī)制資料來(lái)源：歐陽(yáng)玉，碳納米管結(jié)構(gòu)研究，湖南大學(xué)，2008（1）封閉生長(zhǎng)機(jī)理碳納米管在生長(zhǎng)過(guò)程中始終保持端封閉,其生長(zhǎng)是通過(guò)來(lái)自等離子體中的碳原子簇插入反應(yīng)活性較高的兩封閉端，然后在石墨網(wǎng)中擴(kuò)散,發(fā)生結(jié)構(gòu)重排而形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。（2）開(kāi)口生長(zhǎng)機(jī)理碳管在生長(zhǎng)過(guò)程中始終保持開(kāi)口,開(kāi)口處有較高反應(yīng)活性的懸空鍵(不飽和鍵)，吸附等離子體中的碳原子從而生長(zhǎng),內(nèi)外層管以同樣速率生長(zhǎng)。（3）電場(chǎng)誘導(dǎo)生長(zhǎng)模型在電弧放電條件下，兩電極間充滿濃度很高的等離子體,對(duì)兩電極空間起屏蔽效應(yīng)，陽(yáng)極蒸發(fā)而形成自由碳原子,在溫度相對(duì)較低的陰極表面上沉積，陰極表面較高的電壓降產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)碳管的開(kāi)口生長(zhǎng)起穩(wěn)定作用并誘導(dǎo)碳納米管生長(zhǎng)。分析6.7nm/五層5.5nm/兩層6.5nm/七層1、C圖案最分析圖6電子槍從不同的方向入射，分析碳納米管的衍射圖像。由電子衍射可以推斷其是否具有螺旋結(jié)構(gòu)（螺旋指數(shù)(u,v)、直徑d及螺旋角A等）分析圖6電子槍從不同的方向入射，分析碳納米管的衍射圖像。分析1、碳納米管可由兩個(gè)指數(shù)m、α確定，m為管圓周長(zhǎng)（m=ua1+va2，α為螺旋角。（對(duì)于多層壁結(jié)構(gòu)除了直徑和螺旋角外，還需考慮層間距以及不同層間的六角環(huán)排列關(guān)系等）2、扶手型納米管總是金屬性的，鋸齒形納米管和手性形納米管中則部分為半導(dǎo)體性，部分為金屬性的。圖7碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖

分析1、碳納米管可由兩個(gè)指數(shù)m、α確定，m為管圓周長(zhǎng)（m=分析圖9展開(kāi)的碳納米管1、碳納米管可看成是由石墨片層繞管軸（tubeaxis）卷曲而成,不同的卷曲方式所得的結(jié)構(gòu)不同，其性質(zhì)也會(huì)不同。2、卷曲時(shí)石墨片層中保持不變的六邊形網(wǎng)格與碳納米管軸向之間可能會(huì)出現(xiàn)夾角即螺旋角。3、螺旋角不同代表其旋轉(zhuǎn)程度的不同，一個(gè)納米管的旋轉(zhuǎn)由管軸和螺旋角兩者決定。4、碳納米管的封口通常有曲面、多邊形或錐型面所完成。（一般為五邊形與七邊形的組合）分析圖9展開(kāi)的碳納米管1、碳納米管可看成是由石墨片層繞分析1、作者不認(rèn)為是蛋卷型結(jié)構(gòu)，理由如下：如果是這種蛋卷結(jié)構(gòu)，那么這種細(xì)管會(huì)有覆蓋邊緣存在（edgeoverlapsontheirsurfaces），但實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有觀察到）。2、在不同的管形貌觀察中，作者提出了一個(gè)納米管生長(zhǎng)的模型，即：每個(gè)納米管在根部開(kāi)始各自獨(dú)立的螺旋生長(zhǎng)，但其具體的生長(zhǎng)機(jī)理是未知的，但可肯定的是它與傳統(tǒng)的螺旋位錯(cuò)是不一樣的，因?yàn)樗袌A柱狀的點(diǎn)陣。3、目前也還無(wú)法得到具有清晰橫截面的多壁碳納米管試樣。分析1、作者不認(rèn)為是蛋卷型結(jié)構(gòu)，理由如下：分析？支持同心圓結(jié)構(gòu)的證據(jù)有：1、多壁碳納米管存在內(nèi)部端帽2、碳納米管與氣態(tài)或固態(tài)氧化劑相互反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在碳納米管與氧化劑相互作用的過(guò)程中，當(dāng)碳納米管主體部分還完好無(wú)損的時(shí)候，其端部結(jié)構(gòu)卻已經(jīng)被破壞了。支持蛋卷結(jié)構(gòu)的證據(jù)有：1、記錄高壓下多壁碳納米管的衍射圖樣，他們發(fā)現(xiàn)d層間距從0.344nm下降到0.340nm，這與石墨c軸的壓縮率相對(duì)應(yīng)。2、如果多壁碳納米管由同心碳管套裝而成，而層間距為0.34nm，則相鄰管間周長(zhǎng)相差應(yīng)為2π×0.34=2.1nm。但以鋸齒型碳納米管為例，2.1nm不是0.246nm(六角碳環(huán)寬度)的整數(shù)倍。（資料來(lái)源：歐陽(yáng)玉，碳納米管結(jié)構(gòu)研究，湖南大學(xué)，2008）分析？支持同心圓結(jié)構(gòu)的證據(jù)有：支持蛋卷結(jié)構(gòu)的證據(jù)有：1、記錄要對(duì)碳納米管的各種性能進(jìn)行進(jìn)一步的分析的話，就希望實(shí)驗(yàn)所用的為單層碳納米管，于是飯島澄男又進(jìn)行了對(duì)單壁碳納米管的研究。

以下是他的制備過(guò)程：

1、在電弧放電法的基礎(chǔ)上（上電極直徑10mm，下電極陽(yáng)極20mm），陽(yáng)極做成波紋狀，槽里加入催化劑Fe（起勻相作用）；2、在蒸發(fā)室內(nèi)抽真空后充入分壓為10torr的甲烷、40torr的氬氣；3、電極兩端電壓為20kv，產(chǎn)生電流為200A，分解的催化劑原子逐漸形成納米級(jí)顆粒，浮游在反應(yīng)空間，碳原子在催化劑顆粒上形成碳納米管；4、把產(chǎn)物制成丙酮懸濁液，干燥后置于儀器內(nèi)觀察。單層碳納米管的制備要對(duì)碳納米管的各種性能進(jìn)行進(jìn)一步的分析的話，就希分析圖9通過(guò)電子顯微鏡看到的圖像（圖中黑色為Fe3C等雜質(zhì)）由圖可知納米管通常聚集一起呈捆狀（由于范德華力的作用），但孤立、單獨(dú)的納米管同樣存在。分析圖9通過(guò)電子顯微鏡看到的圖像（圖中黑色為Fe3C等雜分析1、在電子顯微鏡下挑選了60根納米管，對(duì)他們的直徑進(jìn)行了了統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)在0.8nm和1.05nm周圍的數(shù)量較多；2、右圖對(duì)一根直徑為1.37nm的納米管進(jìn)行電子衍射。圖10納米管直徑大小統(tǒng)計(jì)分析1、在電子顯微鏡下挑選了60根納米管，對(duì)他們的直徑進(jìn)行了應(yīng)用1、用作制備超強(qiáng)光導(dǎo)纖維，復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。其強(qiáng)度是鋼的100倍，而密度卻只有鋼的六分之一，還具有很好的柔韌性；2、掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡的針尖；3、用于制造納米電子學(xué)器件（在碳納米管中，如果在連接部位或結(jié)構(gòu)中由于管體缺陷時(shí)，它們之間的過(guò)渡結(jié)構(gòu)多數(shù)情況下都會(huì)形成結(jié)的電子特性）；4、用來(lái)連接這些極微小電子器件的連線，這對(duì)納米電子學(xué)的發(fā)展和未來(lái)超大規(guī)模集成電路的制造有著非常重大的意義；5、場(chǎng)發(fā)射陰極材料；6、儲(chǔ)氫材料、高能電容、導(dǎo)熱材料……應(yīng)用1、用作制備超強(qiáng)光導(dǎo)纖維，復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。其強(qiáng)度是鋼的ThankYou!ThankYou!碳納米管（CNTs）介紹碳納米管（CNTs）介紹簡(jiǎn)介碳納米管(carbonnanotubes,CNTs)于1991年由NEC(日本電氣)筑波研究所的飯島澄男(SumioIijima)首次以論文的形式報(bào)道出來(lái)的文獻(xiàn)一文獻(xiàn)二單壁碳納米管的首次介紹簡(jiǎn)介碳納米管(carbonnanotubes,CNTs)圖示圖片來(lái)源：劉劍洪，吳雙泉，碳納米管結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，深圳大學(xué)理工學(xué)報(bào)，2013圖示圖片來(lái)源：劉劍洪，吳雙泉，碳納米管結(jié)構(gòu)及其應(yīng)用，深圳大學(xué)121、1991年，S.Iijima在高分辨電鏡下觀察電弧蒸發(fā)后在石墨陰極上形成的硬質(zhì)沉積物時(shí)發(fā)現(xiàn)，陰極炭黑中含有一些直徑為4～30nm、長(zhǎng)約lμm的多層（2-50）空心管狀物即多壁碳納米管(multi-walledcarbonnanotubes，MWNTs)。該發(fā)現(xiàn)立即引起學(xué)界廣泛關(guān)注，在科學(xué)界掀起了繼發(fā)現(xiàn)C60之后關(guān)于碳的同素異形體的又一次研究熱潮。2、碳納米管以其獨(dú)特的物理化學(xué)特性（如獨(dú)特的金屬半導(dǎo)體特性、高機(jī)械強(qiáng)度、良好的吸附能力和微波吸收能力等）、新型準(zhǔn)一維功能材料及其誘人的應(yīng)用前景而日益受到人們的重視。3、主要對(duì)碳納米管(carbonnanotubes，CNTs)的發(fā)現(xiàn)及、制備、物理特性以及技術(shù)應(yīng)用等進(jìn)行簡(jiǎn)單討論。前言121、1991年，S.Iijima在高分辨電鏡下觀察電制備步驟：1、使兩個(gè)石墨電極保持一定的距離，兩電極的間隙很小以形成穩(wěn)定的電流，抽高真空后，在13.3kPa的氬氣中，陽(yáng)極被蒸發(fā)，產(chǎn)物中除了產(chǎn)生通常的碳灰外，在陰極上還形成了一些針狀物質(zhì)。2、這些碳針不是均勻地生長(zhǎng)在電極的表面上，而是傾向于在電極的某些部位成束生長(zhǎng)，在高分辨電鏡下觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)，這些碳針由直徑為4～30nm、長(zhǎng)約lμm的2到50層的同心無(wú)縫管狀結(jié)構(gòu)組成。

圖五輝光放電制備碳納米管原理圖來(lái)源：張偉華，納米管制備方法，2013制備步驟：圖五輝光放電制備碳納米管原理圖6.7nm/五層5.5nm/兩層6.5nm/七層1、C圖案最里的圓直徑為2.2nm，由大約30個(gè)碳六環(huán)所組成，兩個(gè)相鄰碳六環(huán)（C圖最里）鍵角為6°2、生長(zhǎng)機(jī)制資料來(lái)源：歐陽(yáng)玉，碳納米管結(jié)構(gòu)研究，湖南大學(xué)，2008（1）封閉生長(zhǎng)機(jī)理碳納米管在生長(zhǎng)過(guò)程中始終保持端封閉,其生長(zhǎng)是通過(guò)來(lái)自等離子體中的碳原子簇插入反應(yīng)活性較高的兩封閉端，然后在石墨網(wǎng)中擴(kuò)散,發(fā)生結(jié)構(gòu)重排而形成更加穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。（2）開(kāi)口生長(zhǎng)機(jī)理碳管在生長(zhǎng)過(guò)程中始終保持開(kāi)口,開(kāi)口處有較高反應(yīng)活性的懸空鍵(不飽和鍵)，吸附等離子體中的碳原子從而生長(zhǎng),內(nèi)外層管以同樣速率生長(zhǎng)。（3）電場(chǎng)誘導(dǎo)生長(zhǎng)模型在電弧放電條件下，兩電極間充滿濃度很高的等離子體,對(duì)兩電極空間起屏蔽效應(yīng)，陽(yáng)極蒸發(fā)而形成自由碳原子,在溫度相對(duì)較低的陰極表面上沉積，陰極表面較高的電壓降產(chǎn)生的電場(chǎng)對(duì)碳管的開(kāi)口生長(zhǎng)起穩(wěn)定作用并誘導(dǎo)碳納米管生長(zhǎng)。分析6.7nm/五層5.5nm/兩層6.5nm/七層1、C圖案最分析圖6電子槍從不同的方向入射，分析碳納米管的衍射圖像。由電子衍射可以推斷其是否具有螺旋結(jié)構(gòu)（螺旋指數(shù)(u,v)、直徑d及螺旋角A等）分析圖6電子槍從不同的方向入射，分析碳納米管的衍射圖像。分析1、碳納米管可由兩個(gè)指數(shù)m、α確定，m為管圓周長(zhǎng)（m=ua1+va2，α為螺旋角。（對(duì)于多層壁結(jié)構(gòu)除了直徑和螺旋角外，還需考慮層間距以及不同層間的六角環(huán)排列關(guān)系等）2、扶手型納米管總是金屬性的，鋸齒形納米管和手性形納米管中則部分為半導(dǎo)體性，部分為金屬性的。圖7碳納米管結(jié)構(gòu)示意圖

分析1、碳納米管可由兩個(gè)指數(shù)m、α確定，m為管圓周長(zhǎng)（m=分析圖9展開(kāi)的碳納米管1、碳納米管可看成是由石墨片層繞管軸（tubeaxis）卷曲而成,不同的卷曲方式所得的結(jié)構(gòu)不同，其性質(zhì)也會(huì)不同。2、卷曲時(shí)石墨片層中保持不變的六邊形網(wǎng)格與碳納米管軸向之間可能會(huì)出現(xiàn)夾角即螺旋角。3、螺旋角不同代表其旋轉(zhuǎn)程度的不同，一個(gè)納米管的旋轉(zhuǎn)由管軸和螺旋角兩者決定。4、碳納米管的封口通常有曲面、多邊形或錐型面所完成。（一般為五邊形與七邊形的組合）分析圖9展開(kāi)的碳納米管1、碳納米管可看成是由石墨片層繞分析1、作者不認(rèn)為是蛋卷型結(jié)構(gòu)，理由如下：如果是這種蛋卷結(jié)構(gòu)，那么這種細(xì)管會(huì)有覆蓋邊緣存在（edgeoverlapsontheirsurfaces），但實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有觀察到）。2、在不同的管形貌觀察中，作者提出了一個(gè)納米管生長(zhǎng)的模型，即：每個(gè)納米管在根部開(kāi)始各自獨(dú)立的螺旋生長(zhǎng)，但其具體的生長(zhǎng)機(jī)理是未知的，但可肯定的是它與傳統(tǒng)的螺旋位錯(cuò)是不一樣的，因?yàn)樗袌A柱狀的點(diǎn)陣。3、目前也還無(wú)法得到具有清晰橫截面的多壁碳納米管試樣。分析1、作者不認(rèn)為是蛋卷型結(jié)構(gòu)，理由如下：分析？支持同心圓結(jié)構(gòu)的證據(jù)有：1、多壁碳納米管存在內(nèi)部端帽2、碳納米管與氣態(tài)或固態(tài)氧化劑相互反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在碳納米管與氧化劑相互作用的過(guò)程中，當(dāng)碳納米管主體部分還完好無(wú)損的時(shí)候，其端部結(jié)構(gòu)卻已經(jīng)被破壞了。支持蛋卷結(jié)構(gòu)的證據(jù)有：1、記錄高壓下多壁碳納米管的衍射圖樣，他們發(fā)現(xiàn)d層間距從0.344nm下降到0.340nm，這與石墨c軸的壓縮率相對(duì)應(yīng)。2、如果多壁碳納米管由同心碳管套裝而成，而層間距為0.34nm，則相鄰管間周長(zhǎng)相差應(yīng)為2π×0.34=2.1nm。但以鋸齒型碳納米管為例，2.1nm不是0.246nm(六角碳環(huán)寬度)的整數(shù)倍。（資料來(lái)源：歐陽(yáng)玉，碳納米管結(jié)構(gòu)研究，湖南大學(xué)，2008）分析？支持同心圓結(jié)構(gòu)的證據(jù)有：支持蛋卷結(jié)構(gòu)的證據(jù)有：1、記錄要對(duì)碳納米管的各種性能進(jìn)行進(jìn)一步的分析的話，就希望實(shí)驗(yàn)所用的為單層碳納米管，于是飯島澄男又進(jìn)行了對(duì)單壁碳納米管的研究。

以下是他的制備過(guò)程：

1、在電弧放電法的基礎(chǔ)上（上電極直徑10mm，下電極陽(yáng)極20mm），陽(yáng)極做成波紋狀，槽里加入催化劑Fe（起勻相作用）；2、在蒸發(fā)室內(nèi)抽真空后充入分壓為10torr的甲烷、40torr的氬氣；