纳米碳管和石墨烯的微观结构简介

1、纳米碳管和石墨烯的微观结构简介【摘要】本文主要介绍了纳米碳管和石墨烯两 种碳材料的微观结构，通过对两种材料微观结构的认 识，了解这两种碳材料的物理性质和化学性质以及它 们将来会给我们的日常生活带来的影响。【关键词】纳米碳管，石墨烯，微观结构1 前言 碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最 重要的元素之一，它具有多样的电子轨道特性（ sp， sp2, sp3杂化），再加之sp2的异向性而导致晶体的各 向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构 成元素的碳材料具有各式各样的性质，并且新碳素相 和新型碳材料还不断被发现和人工制得。由于碳元素 和碳材料具有形式和性质的多样性，从而决定了碳和 碳

2、材料仍有许多目前并未开发的部分，若再考虑与其 他元素或化合物等的复合和相互作用，则可获得更大 的发展空间和前景。从目前的研究情况来看，在未来 相当长的一段时间内，碳的新相和聚合物碳同素异构 体的设计、制造和研究将是物理化学领域中最中心的 课题。2 纳米碳管简介2.1 纳米碳管的研究现状纳米碳管（CNT）,管状的纳米级石墨晶体，是单 层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成 的无缝纳米级管，每层的C是SP2杂化，形成六边形 平面的圆柱面 1。纳米碳管由 1991年日本科学家 Sumio Iijima 发 现，具有优良的场发射性能，制作成阴极显示管，储 氢材料。我国自制的碳管储氢能力达到 4

3、%，据世界 领先水平。1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲 卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性； 1995年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能； 1996 年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长； 1998 年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极； 1998 年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体 管；1999 年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩 色显示器样管； 2000年，日本科学家制成高亮度的碳 纳米管场发射显示器样管 2 。2.2 纳米碳管结构介绍石墨平面卷成圆柱体时的矢量设计图见图 1。螺 旋向量 R= na1+ ma2， a1， a2 为石墨晶格矢量，

4、n， m 为整数。根据螺旋向量 R 的不同， SWNTs 可分为 三类：n= m型纳米碳管叫做扶手椅型纳米碳管：m = 0 型纳米碳管叫做锯齿型纳米碳管 3 ；其余的叫做螺旋 型纳米碳管(n-m) /3为整数时，SWNTs具有金属性， 否则为半导体。纳米碳管的导电性与纳米碳管的螺旋度和直径有 关，在纳米碳管中，电子是沿着石墨片层的单个平面 进行传导的，其电子传输通道随碳管直径的增加而增 加，因此，纳米碳管具有独特的发射传导性质。扶手 椅型纳米碳管具有金属导电性，而锯齿型和螺旋型纳 米碳管具有半导体导电性。这是因为，在扶手椅型纳 米碳管中，价带和导带相交迭，而在大多数螺旋型纳 米碳管中，费米能级

5、附近存在禁带，禁带的宽度与碳 管直径成反比 4 。CC共价键使纳米碳管具有很高的强度和刚度，从纳米碳管的结构和已进行的测试来看，纳米碳管的 弹性模量和相应的刚度值应当近似于或大于石墨的内 平面值5。Treasy等人利用扫描探针显微镜对纳米碳 管的热振动振幅进行了测试，估计出 MWNTs 弹性模 量 1.8TPa( 1TPa=1000GPa)。如图 1 纳米碳管的矢量设计3 石墨烯简介3.1 石墨烯的研究现状石墨烯是一种只有单原子层厚度的二维碳纳米材 料，他真正意义上的发现和制备始于 2004 年，由英国 曼彻斯特大学物理学院的 Geim 等人采用胶带反复粘 贴剥离石墨的方法，首先获得了完美的单

6、层石墨烯。 由于石墨烯本身拥有优异的电性能，力学性能和热性 能，他的出现在纳米材料领域掀起了轩然大波，也因 此带动了树脂基纳米复合材料的快速发展 6 。3.2 石墨烯结构介绍 石墨烯属于典型的二维蜂窝状碳网络结构，平面 内由周期性紧密排布的碳六元环构成，各个碳原子之 间通过 SP2 杂化轨道相连接。由于石墨烯只有一个碳 原子层，他的厚度也仅仅 0.5nm 左右，同时石墨烯被 认为是其他各维碳材料的基本组成单元，它能够卷曲 成零维的富勒烯C60。如果卷成圆筒状便构成了二维 的碳纳米管，而石墨烯片层之间通过较弱的分子间作 用（范德华力）相互堆积即是三维的石墨结构 7。石墨烯完美的碳晶体结构赋予了它

7、许多杰出的物 理化学性能。例如理论上2630m?/g的比表面积、高达 200000cm?/V s的电子迁移率、室温5000W/mK的热 导率、量子霍尔效应、 阻隔性能、以及达到了 1100Gpa 杨氏模量和130Gpa破坏强度的超强力学性能等。在 纳米电子器件、储能材料、透明导电薄膜、力学传感 器和树脂基复合材料等研究领域引起关注。4 结语作为碳家族的一个新成员，纳米碳管这种纳米材 料以其特有的结构和性能，引起了物理学、化学、材 料学领域研究者们的高度重视。目前，纳米碳管的理 论研究、制备、提纯、开口、填充、功能开发、实际 应用都在进一步深入。石墨烯因其独特的电子结构和优良的物理、力学 和电学

8、性能吸引了无数科学家的目光。然而，综合分 析石墨烯的特点、目前的研究状况后，高质量、单层 石墨烯的制备还处于实验室阶段。随着人类对纳米碳管和石墨烯研究不断深入，必 将给物理学、化学、材料学领域尤其是纳米材料领域 带来一场新的革命。5 参考文献1 李文治，解思深 .纳米碳管的制备及其微观结 构的研究J.电子纤显微学报，1998, 17( 3): 243-243.2 董树荣，涂江平 .纳米碳管的制备的研究 J.材料科学与工艺，1998， 6( 1 )：31-31.3 Ajayan P M. Iijima S. Capillarity-induced filling of carbon nanotu

9、bes. Nature. 1993. 361 3334 Marc B. David H C. Paul L M ， et al.Single-electron transport in ropes of carbon nanotubes. Science. 1997. 275： 19225 Dillon A C. Jones K M. Bekedahl T A ， et al. Storage of hydrogen in single-zwalled carbon nanotube，s Nature， 1997. 386： 3776 徐秀娟，秦金贵 .石墨烯研究进展 J. 化学进 展， 2009， 21（12）：2559-2567.7 Tsang S C E. Abst