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songjieguang木虫 (著名写手)
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碳纳米管及其研究进展
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1991年，日本电子公司（NEC）的饭岛澄男博士在用电子显微镜观察石墨电极直流放电的产物时，发现一种新的碳结构——碳纳米管（Carbon Nanotubes, CNTs），自此开辟了碳科学发展的新篇章，也把人们带入了纳米科技的新时代。 碳纳米管具有一维中空的纳米结构，管径一般为几个纳米到几十纳米，管长可达几十微米甚至更长，比表面积大，机械强度高，热导率是目前导热性能最好的金刚石的2倍，电流传输能力是金属铜线的1000倍，同时还有独特的金属或半导体导电性，在场发射、分子电子器件、复合材料增强体、催化剂载体等领域有着广泛的应用前景。短短十几年，碳纳米管在制备、结构、性能、应用等方面均取得了重大的成果，特别是规模化生产的实现大大促进了碳纳米管在电子器件上的研究。全球最大的计算机制造商IBM公司已研制出碳纳米晶体管，它比硅芯片晶体管的运行速度更快，能耗更低，集成度更高，而且能够大幅度简化芯片生产过程。该晶体管是制造更小巧，速度更快的计算机的技术关键。近来已经有碳纳米管平板显示器问世，它不仅会对照明和显示事业带来革命性的变革，而且会对环保和可持续社会的发展做出重大贡献。 碳纳米管结构及其特性 碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料，可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体，两端由富勒烯半球封帽而成。按片层石墨层数分类，可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管可看成是由单层片状石墨卷曲而成，而多壁碳纳米管可理解为不同直径的单壁碳纳米管套装而成，层与层之间距离约0.34 nm。 碳纳米管具有最简单的化学组成及原子结合形态，却展现了最丰富多彩的结构以及与之相关的物理、化学性能。由于它可看成是片状石墨卷成的圆筒，因此必然具有石墨优良的本征特性，如耐热、耐腐蚀、耐热冲击、传热和导电性好、有自润滑性和生体相容性等一系列综合性能。但纳米碳管的尺度、结构、拓扑学因素和碳原子相结合又赋予了碳纳米管极为独特而有广阔应用前景的性能，其最为突出的特性主要有以下三点： 纳米尺寸的微结构 碳纳米管的直径处于纳米级，长度则可达数微米至数毫米，因而具有很大的长径比，是准一维的量子线。利用这种一维中空的结构作模板，对其进行填充、包裹和空间限制反应可合成其他一维纳米结构的材料。 特殊的电学性质 碳纳米管与石墨一样，碳原子之间是sp2杂化，每个碳原子有一个未成对电子位于垂直于层片的π轨道上，因此碳纳米管具有优良的导电性能。根据卷曲情况的不同，碳纳米管的电学特性可表现为金属型或半导体型。 超高的力学性能 碳纳米管是由自然界最强的价键之一，sp2杂化形成的C＝C共价键组成，因此碳纳米管是所有已知最结实、刚度最高的材料之一。它弹性模量大于1TPa，能承受大于40%的张力应变而不会呈现脆性行为、塑性变形或键断裂。 碳纳米管的制备 碳纳米管的制备是对其开展研究与应用的前提。获得管径均匀、高纯度、结构完美的碳纳米管是研究其性能及应用的基础，而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管能否实现工业应用的保证。目前制备碳纳米管的方法主要有电弧放电法、激光法和化学气相沉积法（CVD）等。电弧法是最早的制备碳纳米管的方法，工艺比较简单。它是在真空反应器中充以一定压力的惰性气体或氢气，采用较粗大的石墨棒为阴极、细石墨棒为阳极，在电弧放电的过程中阳极石墨棒不断被消耗，同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。激光法是用高能量密度激光照射置于真空腔体中的靶体表面，将碳原子或原子基团激发出靶的表面，在载体气体中这些原子或原子基团相互碰撞而形成碳纳米管。这两种方法都是以固态的碳作为生长碳纳米管的前驱体，在数千度的高温下使之蒸发得到碳纳米管，所以碳纳米管的石墨化程度高，结构完美，但往往伴有大量的无定形副产品，产率较低。化学气相沉积法因制备条件简单、可大规模生产等优点得到人们的普遍使用，它主要以C2H2气体做碳源，以金属催化剂做晶种，在相对低的温度下（500～1000℃）C2H2裂解而得到碳纳米管。由于生长温度较低，所得的碳纳米管不直，常含有较多的缺陷和杂质。 碳纳米管的应用 碳纳米管独特的结构及与之相关的力学、电子特性及化学性能，必然决定了它在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医药科学等领域均具有广阔的应用前景。Service曾说过：“如果要把所有的不同应用前景都写出来的话，富勒烯要用一页纸，而碳纳米管则要用一本书，两者之间有数量级的差别”。下面仅从以下两个方面介绍一些有关碳纳米管应用的情况。 碳纳米管复合材料 碳纳米管具有很高的轴向强度和刚度，理论预测其强度大约为钢的100倍，而密度只有钢的1/6，并具有良好的柔韧性，被誉为超级纤维，因此碳纳米管常用作复合材料的增强体。同时，它优良的导电、导热能力可改善复合材料的功能性。碳纳米管作为增强相或导电相已填加到聚合物、金属及陶瓷基体中。目前报道的碳纳米管/聚合物复合材料可分为两类：第一类是以碳纳米管为主体，把聚合物修饰在碳纳米管壁上，以增加碳纳米管的溶解度，使其光电性质的应用和作为化学试剂在溶液中进行化学操纵得以实现。另一类是以聚合物为主体，碳纳米管作填充材料，主要针对导电聚合物材料，目的是改善导电聚合物的力学和导电性质。例如通过添加CNTs可明显改善聚四氟乙烯(PTFE)的摩擦性能和耐磨性能。当CNTs的体积分数为20%时，CNTs/PTFE复合材料的磨损率可降低至纯PTFE的1/290。近年来，经过不断地努力，金属与陶瓷基碳纳米管复合材料的研究取得了很大的进展。碳纳米管通常作为金属的增强材料来提高金属材料的强度、硬度、耐摩擦、磨损性能以及热稳定性；而对于陶瓷体系，主要是用碳纳米管来改善陶瓷材料的韧性、及电学、热学性质。 在电子器件上的研究进展 随着芯片集成度的不断提高，集成电路的基础元件——MOS晶体管的尺寸越来越小，将接近器件的物理极限。而碳纳米管以其纳米尺寸的结构、特殊的电学性能为人们带来了新的希望。碳纳米管的基本组成单元是六元环，而且碳纳米管可因其取向、直径和外加电压的不同而表现出金属、半导体特性，这使得人们有可能通过引入五元环可七元环等拓扑缺陷来实现“全碳纳米管”器件，即用金属型碳纳米管作引线和电极材料，而用半导体型的碳纳米管作开关器件，这将具有极大的吸引力。在进入纳米电子器件时代的过程中，碳纳米管器件被认为是其中的一个重要方向。 碳纳米管电子器件的发展将主要经历如下几个阶段：首先，研究清楚碳纳米管的电学性质；其次，研制出基于碳纳米管的电子器件基元，即对应于硅基微电子学中的电子器件基元，如二极管、场效应晶体管（FET）等；再次，用这些碳纳米管的电子器件构建出具有一定功能的逻辑电路；最后就是将这些电路集成化，保证其可控性和可重复性，实现工业化大规模生产。目前，碳纳米管电子学研究的前两个阶段已取得了很大进展，第三个阶段的研究工作正在展开，已有关于碳纳米管的逻辑电路的报道。虽然目前在构建器件和单个逻辑电路时,可以对半导体型和金属型碳纳米管进行筛选，但是在大规模生产中很难保证碳纳米管电学性质的一致性；另外就是大规模电路中数量极大的碳纳米管的定位和操纵问题。当这些问题被解决之后,碳纳米管器件将突飞猛进的发展。 [search]碳纳米管[/search] |
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