碳納米管的電學(xué)特性研究概要

論文答辯碳納米管的電學(xué)特性Theelectricalcharacteristicsofcarbonnanotubes院系名稱(chēng)：理學(xué)院班級(jí)：物理092學(xué)號(hào)：200800124214學(xué)生姓名：牛建帥指導(dǎo)老師：楊林峰論文結(jié)構(gòu)論文分為五章：第一章緒論其次章碳納米管的結(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)用第五章碳納米管探討與應(yīng)用展望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：

碳納米管探討應(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，有著不行限量的應(yīng)用。但是它的應(yīng)用及推廣現(xiàn)在很多還集中在探討領(lǐng)域和試驗(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。碳納米管發(fā)展進(jìn)程1991年日本飯島鈍雄在高辨別透射電子顯微鏡下發(fā)覺(jué)了碳納米管。1992年，科研人員發(fā)覺(jué)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)家證明白其優(yōu)良的場(chǎng)放射性能。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)家獨(dú)創(chuàng)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。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)致放射器件、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。其次章納米碳管的結(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。石墨層卷曲成碳納米管示意圖試驗(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)。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)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。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，得到繩索狀直徑勻整的單壁碳納米管。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。碳納米管的純化物理純化法：依據(jù)碳納米管與雜質(zhì)之間物理特性方面的差異分別雜質(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樣來(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：

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。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。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：

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)。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，假如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。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。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)的變更，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，仍舊保持其導(dǎo)電特性。場(chǎng)放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)放射性能。具有尺寸小、放射電壓低、放射密度大、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)致放射平板顯示器。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)生確定的電阻。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。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)，圓筒的電阻將變更前后之差稱(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。庫(kù)侖堵塞效應(yīng)當(dāng)外電子注入碳納米管這一微小的電容器時(shí)，假如電容足夠小，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?？茖W(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。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。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，體積是一般晶體管的特別之一，從而可以將集成電路尺寸降低兩個(gè)數(shù)量級(jí)。納米管鉛筆麻省理工高校創(chuàng)建的碳納米管鉛筆，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。松軟電路碳納米管還可以制作松軟電路，由多數(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，切成確定的條狀，就可以作為微型電子線路。從而制成松軟電路或透亮顯示屏。透亮的顯示屏場(chǎng)致放射器件碳納米管特別尖銳的志向電子放射源，其場(chǎng)放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)致放射平板顯示器等。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)馬上可以復(fù)原原來(lái)的形態(tài)，因此可用作掃描隧道顯微鏡和原子力顯微鏡針尖。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)。儲(chǔ)氫材料碳納米管具有優(yōu)良的吸氫實(shí)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。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袤的應(yīng)用前景。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。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)的寬帶微波吸取性能，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、水泥等的增加材料，提高其強(qiáng)度，變更其脆性，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。第五章碳納米管探討與應(yīng)用展望隨著碳納米管探討的逐步深化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)有搞清晰，一般制備的碳納米管結(jié)構(gòu)上都有一些缺陷，檢測(cè)儀器手段等還有很多不盡如人意的地方。參考文獻(xiàn)【1】程筠甘仲惟.碳納米管探討綜述.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.福建教化學(xué)報(bào)，2003，10:76—83【3】鄒小平.單根多壁碳納米管的電學(xué)測(cè)試.微納電子技術(shù)，2007，7/8:126-128【4】楊錚施毅顧書(shū)林沈波張榮鄭有.碳納米管電子學(xué)的探討與進(jìn)展.物理.2002，10（31），624-628【5】饒?jiān)缬?，王蜀?碳納米管的電學(xué)性質(zhì).重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，01:52-54【6】吳錦雷.納米材料的電學(xué)、光學(xué)和光電性能及應(yīng)用前景.真空電子技術(shù)，2002，04:23-27【7】羅勇,應(yīng)鵬展,蘇慧仙,賈良菊.碳納米管的制備方法概況.煤礦機(jī)械，2004，08:07-08【8】薛增泉施祖