碳纳米管的电学特性研究

论文结构论文分为五章：第一章绪论第二章碳纳米管的结构及其制备第三章碳纳米管的电学性能第四章碳纳米管的应用第五章碳纳米管研究与应用展望本文档共43页；当前第1页；编辑于星期三\13点46分第一章绪论碳纳米管是石墨六方结构绕同轴缠绕而成，空心的管子，两端形成“帽状”结构，成为一端封闭或两端封闭的筒结构。如下图：

本文档共43页；当前第2页；编辑于星期三\13点46分碳纳米管研究应用现状

近年来，纳米概念被商家吵得沸沸扬扬，什么“纳米空调”、“纳米创可贴”、“纳米毛巾”、“纳米领带”之类的产品到处都是。

纳米技术前途光明，有着不可限量的应用。但是它的应用及推广现在很多还集中在研究领域和实验阶段。

一些国家纷纷制定纳米战略，投入大量资金抢占纳米技术高地。2005仅美国联邦政府拨款就达10亿美元。本文档共43页；当前第3页；编辑于星期三\13点46分碳纳米管发展进程1991年日本饭岛钝雄在高分辨透射电子显微镜下发现了碳纳米管。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。1993年,通过在石墨电极中添加催化剂的方法得到了单壁碳纳米管。1995年，科学家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，并制作了室温工作的场效应晶体管。1999年，科学家发明了世界上最小的“秤”，它能够称量相当于一个病毒的重量。本文档共43页；当前第4页；编辑于星期三\13点46分碳纳米管的应用前景

碳纳米管具有独特的电学、力学、储氢、导热性能，因此其拥有其他材料所不具有的独特应用。应用主要涉及微电子器件、场致发射器件、扫描隧道显微镜针尖、信息存储、超级电容器、储氢材料、导热材料、特殊吸附材料、锂电池、质子交换膜、催化剂载体、复合材料等方面。本文档共43页；当前第5页；编辑于星期三\13点46分第二章纳米碳管的结构、制备及纯化碳纳米管的结构：

石墨层中碳原子的4个价电子中有3个成键，形成六边形的石墨网状结构。石墨六方结构绕同轴缠绕而成，空心的管子，两端形成“帽状”结构，成为一端封闭或两端封闭的筒结构。直径一般在1~30nm，长度可达微米级别。本文档共43页；当前第6页；编辑于星期三\13点46分石墨层卷曲成碳纳米管示意图本文档共43页；当前第7页；编辑于星期三\13点46分实验中的碳管存在缺陷，通过引入拓扑缺陷5/7，5/6/7，5/6/6/7的方法可以形成各种类型的异质结。本文档共43页；当前第8页；编辑于星期三\13点46分碳纳米管按层分类可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管单壁碳纳米管多壁碳纳米管本文档共43页；当前第9页；编辑于星期三\13点46分按形态分类碳纳米的端帽有多角形，锥形、半环形和开口形结构；碳纳米管的管身有L形，T形或Y形等；碳纳米管的特殊形态本文档共43页；当前第10页；编辑于星期三\13点46分按手性分类单壁碳纳米管可分为椅形碳纳米管，锯齿形碳纳米管和手性形碳纳米管。本文档共43页；当前第11页；编辑于星期三\13点46分碳纳米管的制备电弧放电法：在Ar或He气氛中，用石墨棒做电极，同时加入催化剂用使之进行反应，可制备碳纳米管。化学气相沉积法：通过烃类或含碳氧化物在催化剂的催化下裂解而成。激光蒸发法：在高温电阻炉中加入，催化剂激光束蒸发石墨靶，得到绳索状直径均匀的单壁碳纳米管。还有热解聚合物法、粒子辐射法、低温固态热解法、火焰法、电解法太阳能法等。本文档共43页；当前第12页；编辑于星期三\13点46分碳纳米管的纯化物理纯化法：根据碳纳米管与杂质之间物理特性方面的差异分离杂质从而获得纯的碳纳米管。化学纯化法：化学纯化法是利用碳纳米管与碳纳米颗粒等杂质之间的氧化速率不一致来实现的。综合纯化法：通过物理、化学方法优化组合来进行纯化的综合法。本文档共43页；当前第13页；编辑于星期三\13点46分第三章碳纳米的电学性质单壁碳纳米管可以认为是由单层石墨沿某一线段卷曲而成。螺旋矢量选定为（n，m为整数），如右图所示：本文档共43页；当前第14页；编辑于星期三\13点46分

本文档共43页；当前第15页；编辑于星期三\13点46分本文档共43页；当前第16页；编辑于星期三\13点46分碳纳米管能带分析能带折叠法：沿碳纳米管圆周方向施加周期性边界条件就可以由石墨的电子结构得到单壁碳纳米管的能带结构。它在实空间中及倒易空间中常用的元胞和基矢的选取法如右图。本文档共43页；当前第17页；编辑于星期三\13点46分石墨能带结构石墨能带结构分布如右图。因为石墨能带结构中，价带和导带仅在第一布里渊区的六个顶点处简并，所以石墨结构表现为半金属。本文档共43页；当前第18页；编辑于星期三\13点46分碳纳米管沿管轴方向具有平移对称性，在倒格子基矢k1和k2：

本文档共43页；当前第19页；编辑于星期三\13点46分石墨在实空间与倒空间的元胞。石墨与碳管的第一布里渊区。本文档共43页；当前第20页；编辑于星期三\13点46分上面图中正六边形为石墨结构的布里渊区，六边形中的直线段是单壁碳纳米管的布里渊区。对石墨的布里渊区进行折叠，间距为，如果K点刚好折叠到碳纳米管的第一布里渊区，则单壁碳纳米管为金属性的，否则单壁碳纳米管为窄带半导体。本文档共43页；当前第21页；编辑于星期三\13点46分因此当(n-m)是3的整数倍时，即（n-m）=3r,r为整数时，单壁碳纳米管为金属性的，其他情形下单壁碳纳米管为窄带半导体。本文档共43页；当前第22页；编辑于星期三\13点46分导电性质

受量子效应的影响，随螺旋角及直径的不同，单壁碳纳米管的导电性可呈金属、半金属或半导体性。螺旋矢量中n=m时，碳纳米管电导率可达铜的1万倍

同一根碳纳米管上的不同部位，由于结构的变化，也可以呈现出不同的导电性。两个单层碳纳米管同轴套构所形成的双层碳纳米管，仍然保持其导电特性。本文档共43页；当前第23页；编辑于星期三\13点46分场发射特性碳纳米管顶端可以做得极为尖锐，具有优异的场发射性能。具有尺寸小、发射电压低、发射密度大、稳定性高、无需加热和无需高真空等优点，广泛的应用于显像管、扫描电子显微镜、高能电子武器，设计制作灵敏开关、超高频振荡器、场致发射平板显示器。本文档共43页；当前第24页；编辑于星期三\13点46分弹道输运特性导电材料中的电子在电场中加速时能够飞行的最远距离称为射程。传导电子因受晶格振动及杂质的散射而产生一定的电阻。碳纳米管网格长度比其他原子形成的短，杂质难以将其置换，因此在电子传输时不会因杂质引起散射，故能形成弹道输运。室温下电子的弹道输运类似于光子在光纤中无能量损失飞行一样。本文档共43页；当前第25页；编辑于星期三\13点46分磁场效应当金属圆筒的轴向与外磁场方向平行时，且轴向有电流时，圆筒的电阻将改变前后之差称为磁阻。

碳纳米管在磁场作用下可以发生金属和绝缘体的转化，这种转化受纳米管半径，螺旋性和外加磁场方向影响。本文档共43页；当前第26页；编辑于星期三\13点46分库仑阻塞效应当外电子注入碳纳米管这一微小的电容器时，如果电容足够小，只要注入1个电子就会产生足够高的反向电压使电路阻断。科学家用单根单层碳纳米管和3个电极，研制了可在室温下工作的场效应三极管。当施加合适的栅极电压时，碳纳米管便由导体变为绝缘体，从而实现了“0”、“1”状态的转换。本文档共43页；当前第27页；编辑于星期三\13点46分量子限域效应电子在碳纳米管的径向运动受到限制，表现出典型的量子限域效应。电子在轴向的运动不受任何限制。无缺陷金属性碳纳米管被认为是弹道式导体，其导电性能仅次于超导体。电子在碳纳米管中的传输就像光信号在光学纤维电缆中传输一样，能量损失微小。因此，可以认为碳纳米管是一维量子导线。本文档共43页；当前第28页；编辑于星期三\13点46分碳纳米管的其他性能力学性质：碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。其强度约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。储氢性能：碳纳米管高的比表面积使其管道结构及多壁碳管之间的类石墨层空隙，使其成为最有潜力的储氢材料。导热性能：纳米碳管依靠超声波传递热能，纳米碳管在一维方向传递热能。碳纳米管还具有比表面大、吸附力强等特点。本文档共43页；当前第29页；编辑于星期三\13点46分第四章碳纳米管的应用微电子器件：科学家已经制成了碳纳米管晶体管，体积是普通晶体管的十分之一，从而可以将集成电路尺寸降低两个数量级。本文档共43页；当前第30页；编辑于星期三\13点46分纳米管铅笔麻省理工大学创造的碳纳米管铅笔，笔芯由单壁碳纳米管压缩而成，可以让人在纸上手绘碳纳米管电路。本文档共43页；当前第31页；编辑于星期三\13点46分柔软电路碳纳米管还可以制作柔软电路，由无数碳纳米管随机重叠在一张鱼网似结构上形成电路，切成一定的条状，就可以作为微型电子线路。从而制成柔软电路或透明显示屏。本文档共43页；当前第32页；编辑于星期三\13点46分透明的显示屏本文档共43页；当前第33页；编辑于星期三\13点46分场致发射器件碳纳米管非常尖锐的理想电子发射源，其场发射阈值电压可以降低到10V左右。可以用作制造显像管、扫描电子显微镜、高能电子武器、灵敏开关、超高频振荡器、场致发射平板显示器等。本文档共43页；当前第34页；编辑于星期三\13点46分扫描隧道显微镜针尖因为碳纳米管可以做的极为尖锐，且在接触物体时只发生弯曲，离开界面是时立即可以恢复原来的形状，因此可用作扫描隧道显微镜和原子力显微镜针尖。本文档共43页；当前第35页；编辑于星期三\13点46分信息存储用碳纳米管作为信息写入及读出探头，其信息写入和读出点可达1.3nm，比目前市场上的现有商品高4个数量级，从而实现信息超高密度存储。本文档共43页；当前第36页；编辑于星期三\13点46分储氢材料碳纳米管具有优良的吸氢能力，作为贮氢容量最大的吸附材料，碳纳米管将有助于氢燃料汽车的发展。也可用于制造质子交换膜燃料电池。这种燃料电池通过消耗氢产生电力，排出的废气为水蒸气，因此没有污染。本文档共43页；当前第37页；编辑于星期三\13点46分超级电容器超级电容器具有可大电流充放电，几乎没有充放电过电压，循环寿命可达上万次，工作温度范围宽等优点。因此，超级电容器在移动通讯、信息技术、电动汽车、航空航天和国防科技等方面将具有极其重要和广阔的应用前景。本文档共43页；当前第38页；编辑于星期三\13点46分导热材料

碳纳米管可用于超高速运算的计算机芯片导热板，发动机或者火箭等高温部件的防护材料。本文档共43页；当前第39页；编辑于星期三\13点46分其他应用在高分子材料中只要加入少量的碳纳米管，使其具有抗静电功能。碳纳米管表现出较强的宽带微波吸收性能，可用于隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料。与金属形成高强度、耐高温、抗磨损的金属基复合材料；与陶瓷、水泥等的增强材料，提高其强度，改变其脆性，提高其抗冲击性，耐磨耗等性能。还可用作锂离子电池电极、质子交换膜燃料电池、催化剂载体、吸附材料、传感器、防弹背心、抗震建筑等。本文档共43页；当前第40页；编辑于星期三\13点46分第五章碳纳米管研究与应用展望随着碳纳米管研究的逐步深入和纳米科技的快速发展，将带动一系列相关高科技产业的兴起和发展，成为最有前途的材料。碳纳米管将对众多领域产生深刻影响，并给人类带来巨大的利益。当然还有一些问题有待解决：碳纳米管的生长机制还没有搞清楚，一般制备的碳纳米管结构上都有一些缺陷，检测仪器手段等还有许多不尽如人意的地方。本文档共43页；当前第41页；编辑于星期三\13点46分参考文献【1】程筠甘仲惟.碳纳米管研究综述.高等函授学报(自然科学版)，2000，02:21-23【2】陈展虹.碳纳米管结构概述.福建教育学报，2003，10:76—83【3】邹小平.单根多壁碳纳米管的电学测试.微纳电子技术，