石西?席彩萍

摘 要：碳納米管由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和奇異的性質(zhì)而備受關(guān)注，本文闡述了碳納米管的各種性質(zhì)及其應(yīng)用；并探究了碳納米管材料在物理化學(xué)生物等方面的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：碳納米管；結(jié)構(gòu)；性能；應(yīng)用前景

基金項(xiàng)目：陜西省大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目（1764）（校級：2014XK084）

碳納米管（CNTs）于1991年由NEC研究所的Sumio Iijima首次發(fā)現(xiàn)。碳納米管[1]由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和奇特的物理、化學(xué)和力學(xué)特性及其潛在的應(yīng)用前景而倍受關(guān)注，并迅速在世界上掀起了一股研究的熱潮。

1 碳納米管的電學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用

碳納米管的結(jié)構(gòu)和幾何特點(diǎn)決定了其電子學(xué)上的獨(dú)特性，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能。目前碳納米管應(yīng)用研究的最大領(lǐng)域是電子學(xué)領(lǐng)域[2]。理論預(yù)測其導(dǎo)電性能取決于其管徑和管壁的螺旋角。當(dāng)CNTS的管徑大于6mm時(shí)，導(dǎo)電性能就下降；當(dāng)管徑小于6mm時(shí)，可以被看成具有良好導(dǎo)電性能的一維量子導(dǎo)線。由于電子的量子限域所致，電子有效的運(yùn)動只能在單層石墨片中沿碳納米管的軸向方向，徑向運(yùn)動受到限制，因此它們的波矢是沿軸向的。在碳納米管周圍傳播的電子只有特定波長的電子被保留下來，其他的則可能完全被抵消，在石墨片里，物理上稱為費(fèi)米點(diǎn)的特殊電子態(tài)決定了它的全部導(dǎo)電性，其它態(tài)的電子則完全不能自由運(yùn)動。只有三分之一的碳納米管具有恰當(dāng)?shù)闹睆胶吐菪潭?，使其允許狀態(tài)里含有這個(gè)特殊的費(fèi)米點(diǎn)，這些碳納米管具有金屬性，其余三分之二則是半導(dǎo)體。在半導(dǎo)體性質(zhì)和金屬性質(zhì)的碳納米管之間可以形成整流結(jié)。利用這種特殊的電學(xué)性能，碳納米管可用來制作場效應(yīng)晶體管[3]。由于碳納米管的尖端具有納米尺度的曲率，在相對比較低的電壓下就能夠發(fā)射大量的電子，因此，碳納米管材料能夠呈現(xiàn)出良好的場致發(fā)射特性，非常適合于用作各種場致發(fā)射器件的陰極。實(shí)驗(yàn)觀察到的碳納米管上的點(diǎn)缺陷會導(dǎo)致碳納米管局部呈肖特基勢壘或異質(zhì)況，利用這個(gè)特性可以制作尺度非常小的納米電子器件。因?yàn)樘技{米管在物理性質(zhì)上有明顯的量子特點(diǎn)，故可能成為下一代微電子和光電子器件的基本單元。

2 碳納米管的力學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用

碳納米管的力學(xué)性質(zhì)一度成為納米技術(shù)研究的熱點(diǎn)，理論計(jì)算表明，碳納米管具有極高的強(qiáng)度和極好的韌性。它的強(qiáng)度大約為鋼的100倍，而密度卻只有鋼的1/6。理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，單壁碳納米管的楊氏模量可達(dá)到1TPa，與金剛石相當(dāng)。碳納米管還有極好的韌性而不脆，在軸向施加壓力或彎曲碳納米管時(shí)，當(dāng)外加壓力超過強(qiáng)度極限或彎曲強(qiáng)度時(shí)，碳納米管不會斷裂，而是首先發(fā)生大角度彎曲，然后打卷絞結(jié)在一起形成類似“麻花狀”物體，當(dāng)外力釋放后碳納米管又恢復(fù)原狀。在垂直于碳納米管的管軸方向具有極好的韌性，它被認(rèn)為是未來的“超級纖維”，因此碳納米管有可能成為一種納米操作工具。由于碳納米管具有極高的比強(qiáng)度、比楊氏模量，被認(rèn)為是一種理想的先進(jìn)復(fù)合材料的增強(qiáng)體，因此關(guān)于碳納米管復(fù)合材料的研究也成為其應(yīng)用研究的一個(gè)重要領(lǐng)域。碳納米管無論是強(qiáng)度還是韌性，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于任何纖維，將碳納米管作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，預(yù)計(jì)可表現(xiàn)出良好的強(qiáng)度、彈性、抗疲勞性及各向同性，預(yù)期碳納米管增強(qiáng)復(fù)合材料可能帶來復(fù)合材料性能的一次飛躍。Baughman等人在碳納米管的基礎(chǔ)上，研制出微型換能器，這種器件在很小的電壓下就能產(chǎn)生相當(dāng)大的形變。Kim等人利用碳納米管設(shè)計(jì)開發(fā)出納米鑷子，當(dāng)外加電壓從0V增加到8.3V，納米鑷子尖端的距離減小到原來的1/2；當(dāng)電壓達(dá)到8.5V時(shí)，納米鑷子突然合上。這種納米鑷子不僅可以用于操縱原子和納米團(tuán)簇，還可以用于STM/AFM的探針[4]。

3 碳納米管的光學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用

碳納米管的發(fā)光特性，特別是可見光區(qū)的發(fā)光性質(zhì)的研究是近一兩年才發(fā)現(xiàn)和開始的。由于拉曼光譜的出現(xiàn)，碳納米管的光學(xué)性質(zhì)越來越受到人們的關(guān)注，雖然碳納米管光學(xué)性質(zhì)的研究時(shí)間并不長，但它顯示出來的優(yōu)越的發(fā)光特性越來越引起科學(xué)界的廣泛注意。清華大學(xué)的Yong Zhang等人使用遠(yuǎn)紅外激發(fā)碳納米管產(chǎn)生了強(qiáng)烈的可見光。清華大學(xué)的Jinquan Wei等人使用超長SWNT和DWNT溶解在酒精中，酒精融化時(shí)產(chǎn)生的表面張力將CNT組裝在燈絲上取代鎢燈絲，然后將CNT燈絲與銀電極連接在一起裝入真空度為10-7Torr的球形玻璃罩中制成CNT燈。

4 碳納米管的吸附性質(zhì)及應(yīng)用

碳納米管具有較大的比表面積，其特殊的管道結(jié)構(gòu)及多壁碳納米管之間芯部和表面都存在大量分子級細(xì)孔，比表面積很高，因此可以吸附大量氣體是最有潛力的儲氫材料。氫能是一種理想的能源載體，而經(jīng)濟(jì)有效的儲氫手段氫能實(shí)現(xiàn)規(guī)模應(yīng)用急需解決的關(guān)鍵問題之一。碳納米管在存儲氫氣上表現(xiàn)出的獨(dú)特性質(zhì)，使其最有希望成為一種新的高效的儲氫材料。1997年，Dillon等創(chuàng)了碳納米管儲氫研究的先河。當(dāng)時(shí)他們采用的樣本是包含有金屬催化劑和定形碳，未經(jīng)純化的單壁碳納米管，利用程序升溫脫附（Temperature ProgrammDesorption，TPD）法測定單壁碳納米管儲氫能力。碳納米管良好的吸附性能可為催化劑良好的載體，碳納米管的催化作用主要集中在三個(gè)方面：一是提高反應(yīng)速率；二是決定反應(yīng)路徑，有優(yōu)良的選擇性；三是降低反應(yīng)溫度。

5 碳納米管的磁學(xué)性質(zhì)及應(yīng)用

碳納米管（CNTs）因其獨(dú)特的管狀結(jié)構(gòu)和物理化學(xué)性質(zhì)成為納米磁性領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。碳納米管具有螺旋、管狀結(jié)構(gòu)，具有不同尋常的磁學(xué)性能。碳納米管大的比表面積和納米通道使其極容易摻雜納米磁性材料。清華大學(xué)在國際上首次使用化學(xué)鍍膜的方法在碳納米管外面敷了一層金屬鎳鍍膜，形成一種一維納米磁性復(fù)合材料，有望用于微觀磁性研究和高密度磁存儲中。

6 碳納米管的場發(fā)射性能及應(yīng)用

碳納米管的納米級發(fā)射尖端、大長徑比、高強(qiáng)度、高韌性、良好的熱穩(wěn)定性和導(dǎo)電性等，所有這些結(jié)構(gòu)和性能特征使得碳納米管成為更理想的場致發(fā)射材料，有望在冷發(fā)射電子槍、平板顯示器等方面獲得重要應(yīng)用。由于碳納米管的尖端具有納米尺度的曲率，在相對比較低的電壓下就能發(fā)射大量的電子，具有發(fā)射閾值低、發(fā)射電流密度大、穩(wěn)定性強(qiáng)、分辨率高等優(yōu)異的場發(fā)射性能，可制作各種場發(fā)射器件的陰極。最初，人們普遍采用金屬微尖陣列（MicrotipArray）發(fā)射陰極。碳質(zhì)材料的場致發(fā)射性能研究始于金剛石材料，當(dāng)金剛石表面的碳原子與氫鍵合時(shí)，在表面附近形成的電子親合勢為負(fù)值，即材料導(dǎo)帶中的電子不用穿過任何勢壘就可溢出到真空中。但實(shí)際上，由于電子補(bǔ)給及傳輸困難，金剛石材料的場致發(fā)射性能受到很大的限制。其它類型的碳材料，如類金剛石薄膜、納米結(jié)構(gòu)碳、碳纖維等，也具有一定場致發(fā)射能力。進(jìn)入九十年代后期，碳納米管的發(fā)現(xiàn)以及其制備技術(shù)的發(fā)展為FED顯示器件的突破性發(fā)展提供了一個(gè)良好契機(jī)。1995年瑞典的DeHeer研究了碳納米管的場發(fā)射特性，提出將碳納米管作為場發(fā)射電子源的設(shè)想，并在Science上發(fā)表了他們的研究成果，在學(xué)術(shù)界引起了很大的轟動。

7 碳納米管的應(yīng)用前景

7.1 儲氫材料

碳納米管由于其管道結(jié)構(gòu)及多壁碳管之間的類石墨層空隙，使其成為最有潛力的儲氫材料，并是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。1997年，Dillon等根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推算出單壁碳納米管儲氫量在5%～10%的范圍內(nèi)[5]；Ye等的低溫儲氫實(shí)驗(yàn)表明80K以下單壁碳納米管的儲氫容量可達(dá)到8.25%。目前，根據(jù)理論推算和近期反復(fù)驗(yàn)證，大家普遍認(rèn)為碳納米管可以儲放氫量在5%左右，是迄今為止最好的儲氫材料。已經(jīng)證實(shí)，堿金屬嵌入碳納米管會極大地提高其儲氫性能[6]。

7.2 催化劑良好的載體

納米材料比表面積大，表面原子比率大（約占總原子數(shù)的50%），使體系的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)明顯改變，從而表現(xiàn)出特殊的電子效應(yīng)和表面效應(yīng)。如氣體通過碳納米管的擴(kuò)散速度為通過常規(guī)催化劑顆粒的上千倍，擔(dān)載催化劑后極大地提高了催化劑的活性和選擇性。碳納米管的催化作用主要集中在三個(gè)方面：一是提高了反應(yīng)速率；二是決定反應(yīng)路徑，有優(yōu)良的選擇性；三是降低反應(yīng)溫度。

7.3 理想的鋰離子負(fù)極材料

碳納米管的層間距為0.34nm略大于石墨的層間距0.335nm這有利于鋰離子的嵌入與遷出，它特殊的圓筒狀構(gòu)型不僅可以使Li+從外壁和內(nèi)壁兩方面嵌入，又可防止因溶劑化鋰離子嵌入引起的石墨層剝離而造成負(fù)極材料的損壞。碳納米管摻雜石墨時(shí)可提高石墨負(fù)極的導(dǎo)電性，消除極化。實(shí)驗(yàn)表明，用碳納米管作為添加劑或單獨(dú)用作鋰離子電池的負(fù)極材料均可顯著提高負(fù)極材料的嵌鋰離子容量和穩(wěn)定性。

7.4 制造納米導(dǎo)線的最佳材料

由于碳納米管壁能被某些化學(xué)反應(yīng)所溶解，因此它們可以作為易于處理的模具。只要將金屬灌滿碳納米管，然后把碳層腐蝕掉，即可得到納米尺度的導(dǎo)線。目前，除此之外無其它可靠的方法來得到納米尺度的金屬導(dǎo)線。本法可進(jìn)一步地縮小微電子技術(shù)尺寸，從而達(dá)到納米尺度。

7.5 太空纜繩的首選材料

碳納米管具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)。單個(gè)碳納米管的直徑只有1.4nm，5萬個(gè)碳納米管，并在一起相當(dāng)于一根頭發(fā)絲的直徑。碳納米管可能成為未來理想的超級纖維，碳納米管的一種可能具有突破性的應(yīng)用，是用于太空升降機(jī)。用碳納米管做成的太空纜繩，與其他物質(zhì)不同的是它能支持住自身的質(zhì)量。這就提供了一種把人或物品提升到外層太空的可能的方法，也許將成為人類移居外星球的理想方法。碳納米管可作為電鏡的探針材料。其優(yōu)異的力學(xué)性能使得碳納米管成為了太空纜繩的首選材料。

7.6 掃描電子顯微鏡理想的探針材料

碳納米管不但可以大大改善圖像的分辨率，而且能使極微小的深部表面裂紋以及DNA之類的生物分子成像。同時(shí)，其尖端與基體接觸會引起結(jié)構(gòu)的可逆彎曲而不會遭到破壞。

7.7 碳納米管可用作制備納米器件

碳納米管電子能帶結(jié)構(gòu)特殊，波矢被限定于軸向，量子效應(yīng)明顯。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單壁碳納米管是真正的量子導(dǎo)線，還可作為微電路中的異質(zhì)節(jié)，特別適用于制備納米電子器件。它穩(wěn)定性好，又有彈道傳輸?shù)奶匦?，可制得運(yùn)算更快、體積更小的單分子場效應(yīng)晶體管。該晶體管是制造更小巧、速度更快的計(jì)算機(jī)的關(guān)鍵。同時(shí)，碳納米管還是高性能單電子晶體管材料，而且，它還可被用于分子級開關(guān)、儲存器、微電池電極和微波增幅器等。

參考文獻(xiàn)

[1] Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon[J].Nature.1991，354：6-58.

[2]楊邦朝，陳金菊，馮哲圣.碳納米管的物性及應(yīng)用[J].電子原件與材料2003，22（5）：44-46.

[3]R.Mertel.，T.Schinidt，H.R.Shea，et al.Single-Wall and Multi-Wall carbonnanotube field-effect transistors[J].Appl.Phys Lett，1998，7（13）：2447-2451.

[4]Dai H J，Hafner J H，Rinzler A G，et al.Nanotube as nanoprobes on scanning probe[J].Nature，1996，3（23）：147-151.

[5]Dillon A C，Jones K M，Bekkedahl T A，et al.Storeage of hydrogen in single-walled carbon nanotubes[J].Nature，1997，38（23）：377-378.

[6]P Chen，X Wu，J Lin，et al.High H2 uptake by alkali-daped carbon nanotube under ambient pressure and moderate temperature[J].Science，1999，28（5）：91-93.

作者簡介

石西（1993—），女，陜西戶縣人，渭南師范學(xué)院物理與電氣工程學(xué)院，學(xué)生。