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碳纳米管及其研究进展

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碳纳米管及其研究进展,~ d
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碳纳米管及其研究进展sRl.w_2Q$SY6N"t/n

J8MoPX2n 1991年，曰本电子公司（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。i
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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。jE4x5i*h5P&G(D.iY

? a!g E,r 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。
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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：8@_N+pIlh
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K7C+t'M1}4} 纳米尺寸的微结构
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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。
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特殊的电学性质:Y6i@3p6S fu6@]

)aL6hP9[8~^,|,p1x_ 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。3U(F%gD4v@

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超高的力学性能jNr2`+Z#T;@
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3yXL F2n.XI 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。:eGf7S6H
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碳纳米管的制备{$_9R|&N9R$A_

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　　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。
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　　碳纳米管的应用d(k*t,p^gDa b"^

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　　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。
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x J1[.yo W ^ 碳纳米管复合材料
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#W.yia+e 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。
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在电子器件上的研究进展
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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
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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。+_jH5liT.{

t4pd i.H;],[ 本帖最近评分记录
7X}KmwIk6gw realscience   12-11-2006 10:48 PM   金币   +5   不错的帖子，谢谢！

能介绍一下国内在这方面的进展吗

目前国内研发情况怎样？

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0T UN%hqk 能介绍一下国内在这方面的进展吗
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回楼上两位朋友,我觉得作为一个研究者来说,若果了解了国外的研究进展情况,国内的情况并不很重要.如果你要做出高水平的工作,必须参考国际前沿的工作.当然对于初学者来说,先看看中文的资料也是无可非议的.
6wD2z {-F,s 可以搜索一下,这方面的资料也很多.如
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Y aPc.t3V -           碳纳米管及其研究进展 Carbon nanotube and its development  <<化工新型材料 New Chemical Materials>>     刘治   ,  陈晓红   ,  宋怀河 iXi Y:Wy*s"]$u
-         碳纳米管及其研究进展 Carbon nanotubes and its progress in research <<化工新型材料 New Chemical Materials>>   张春山 , 邵曼君
&m3B6y+lr2v)t:G/GQ,{w -         碳纳米管的应用研究进展 Progress of application and research for carbon nanotube <<化学工业与工程技术 Journal of Chemical Industry & Engineering>>   聂海瑜
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g.s'UC,s6b+\(f6N -         碳纳米管及其复合材料的研究进展和应用前景 Application Prospect and Research Development of Carbon Nanotube and Its Composites <<材料导报 Materials Review>>   李小兵 , 曹正华 , LI Xiaobing , CAO Zhenghuav3cNC6h
-         碳纳米管的功能化研究进展 Progress in functionalized treatment of carbon nanotubes <<炭素技术 Carbon Techniques>>   李秀秀 , 李晓东 , 杨荣杰x!n*TEl^['e9^
-         碳纳米管的制备 Preparation of Carbon Nanotube <<塑料工业 China Plastics Industry>>   聂海瑜(_,e*o'h7n.o)E
-         纳米碳管在聚合物中的应用及其复合材料研究进展 Application of Carbon Nanotube in Polymer and Progress in Carbon Nanotube/Polymer Composites <<材料导报 Materials Review>>   鹿海军 , 梁国正 , 张宝艳 , 马晓燕 , 陈祥宝D.^3bX |L2PA.PuFm6s
-         碳纳米管的研究进展及应用 Progress in Studying Carbon Nanotubes and Their Application <<滨州学院学报 Journal of Binzhou University>>   孟秀霞 , 高芒来8V8`$]R#R B@
-         碳纳米管的化学修饰 Chemical Modification of Carbon Nanotubes <<材料导报 Materials Review>>   王彪 , 孙颖 , 王华平 , 张玉梅
Bp'yw0}/m0PUH3[ -         碳纳米管及其制备技术 Carbon narotube and its fabrication technology <<微纳电子技术 Micronanoelectronic Technology>>   张臣uO_*A6Fec"U
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k1b7?dJ -         碳纳米管/聚合物功能复合材料的研究进展 Research progress in carbon nanotubes/polymer functional composite material <<兵器材料科学与工程 Ordnance Material Science and Engineering>>   刘家琴 , 吴玉程 , 薛茹君 , 胡小晔 , LIU Jia-qin , WU Yu-cheng , XUE Ru-jun , HU Xiao-ye
lz;qD$`#~s R -         新型材料--碳纳米管 New Materioals--Carbon Nanotubes <<江苏化工市场七日讯 Jiangsu Chemical Industry>>   韩峰 , 王国庆 , 黎载波
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看看这这篇"我国C60和碳纳米管的研究进展"

[size=3][color=DarkGreen]      1985年C60的发现是人类对碳认识的新阶段，是科学上的重要发现。美国科学家Curl和Smalley教授及英国科学家Kroto教授为此获得1996年诺贝尔化学奖。C60的发现使我们了解到一个全新的碳化学世界。从平面低对称性分子对全对称的球形分子，从简单分子到富勒烯笼内包原子的超分子，从一维超导到三维超导，从平面的石墨到一维管状的碳纳米管等方面。C60被的短短10多年来，富勒烯已经广泛地影响到物理、化学、材料科学、生命及医药科学各领域，极大丰富和提高了科学理论，同时也显示出巨大的潜在应用前景。z]3W0w0b[(M
    在过去的10 多年中，特别是1990年Kratschmer用电弧法宏观量合成富勒烯成功后，富勒烯的研究迅速发展并取得了重要成果。我国的富勒烯研究是世界起步较早的国家之一，在这10年中，取得了很好的成果。下面我们从以下方面对我国富勒烯和碳纳米管的研究情况作一回顾和展望。

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Z4G5oB-I [b]1        富勒烯的合成和分离[/b]
C,F$c;L;oqE9gL      从1990年年底，中国科学院化学研究所和北京大学就开始了C60团簇的合成研究，并相继发表了C60和C70制备与分离的文章。分离得到的纯度可达到99.9%，C70可达98%以上。我国对富勒烯的早期研究获得了一系列重要的突破性进展。M,_2g8V&y@SB
     北京大学首先建立了重结晶分离C60和C70的方法，回收率高、设备简单、适应大规模生产，并于1993年通过国家自然科学基金委员会的鉴定，获得了2项发明专利。除C60和C70外，北京大学还用重结晶分离得到克量级C76、C78、C84的混合及100多毫克含量90%以上的C84。南京大学还报道了利用C60、C70及高碳富勒烯与AlCl3的较大复合差异快速分离出高纯C60的方法。
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[b]2        理论计算研究,pWQ A?5Z"z
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[/b]      1985年发现C60以后，首先是理论化学家对C60的结构和稳定性进行了大量工作。在我国以唐敖庆教授为首的吉林大学理论化学研究所对碳笼形团簇进行了一系列的理论研究工作。最早提出多面体碳团簇与多面体硼笼团簇的几何上的共轭关系，系统地推导出可能存在的高对称性碳笼团簇的碳原子数的一般公式。并且从几何上说明了如何在同一对称下，由小共轭笼烯生成大共轭笼烯的几何关系。b H+\~ OU:\Q K
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[b]3        富勒烯的化学修饰[/b],W,et%k?B!m
      对于化学家来说，很少使用元素碳作为起始原料进行合成研究。自从C60、C70可以宏观量制备以来，这种情况发生了变化。目前国内对C60、C70的化学修饰作了大量的工作，这些工作主要集中在环加反应及C60阴离子的形成及其反应上。,E B-v iAg&?!ek
    南京大学对C60、C70的还原反应进行了系统的研究，发现在酸性条件下，用化学还原生成富勒烯氢化物，但在碱性条件下则生成富勒烯的负离子。非常有趣的是，一般文献报道富勒烯负离子对水敏感，而在南京大学的实验中发现， C606－ 和C706－ 在无氧存在时对水并不敏感。更有意义的是，在国际上首次发现无需控制还原剂的化学计量，只需改变溶剂，就能定量生成C60－ 离子的水溶液，毫无疑问， C60和C70负离子在空气中是不稳定的。C60、C70负离子在有机溶液中则生成中性粉末，在水中氧化则生成水溶胶。1995年复旦大学报道了C602－ 盐的反应，高选择地合成了单加成的C60苄基化合物，表明C60负离子为C60的化学修饰开辟了新的途径。在1994年他们利用1-甲基萘和钾形成均相还原特性于四氢呋喃中与C60可在室温形成K C60（TTF），这为超导材料的合成提供了一种有效的探讨途径。
9KH%tH(F&fC0Y:L
+{l e*Dp [b]4        富勒烯在电、磁、光材料中的应用[/b]@ j!\h/K4g#A!d
     C60本身的对称性决定了C60自身有非线性光学性质。作为一种新的化合物，研究其电、磁、光等应用是非常重要的，实际上C60就是因为掺杂碱金属在一定条件下具有超导电性，其电荷转移复合物有铁磁性而引起人们极大兴趣和关注。
#O N`X#W      1991年北京大学化学系和物理系在国内首次获得了K3C60和Rb3C60超导体，超导转变温度为18K和28K，其超导相达75%，达到了当时国际先进水平。1993年他们成功制备了K3C60外延超导膜，其Tc=21K，Jc=5×104 A / cm2。1994年后有关C60超导研究，国内外都处于更深入的艰难阶段。C60的磁学研究实际上从其超导性开始的。
#j)Gie5MP     C60家族分子是三维π电子离域的化合物，有良好的非线性光学效应。北京大学测定了C60、C70的非线性光学系数，并利用飞秒技术研究了C60的光克尔效应，证实了C60的非线性效应起源于的π电子，并研究了C60电荷转移复合物的非线性性质。在研究C60甲苯溶液的光限制效应时，他们首先发现了反饱和吸收过程的饱和现象，并给出了理论解释。中科院化学研究所在对C60进行化学修饰后进行PVK掺杂，发现了一全新的光导体体系，此体系暗导小，放电迅速，且完全具有重要的潜在应用价值。另外，他们还发现了一类新的光限幅材料，此材料在线性透过率高达80%的条件下，其限幅幅值为300mJ/cm2，具有潜在实用价值。6ID-HU
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[b]5        富勒烯金属包合物的研究[/b]&O4L*p*qv@~2p+x
      1990 年电弧法大量合成富勒烯获得成功后，金属包合物的研究一直是国际富勒烯研究的前沿课题。有可能在超导、铁磁性材料、光学材料等方面有应用前景。富勒烯金属包合物目前合成方法主要有电弧法和离子束轰击法。分离提纯用二步HPLC法，因此合成产率低和分离困难，仍然是该研究的主要障碍。富勒烯包合物可分为三类：金属包合物Mn@C2n；惰性气体包含物（He，Ne，Ar，Xe）@C2n和非金属分子包合物（CO，CN）@C2n。其中以金属包合物为主，被包入的金属主要是Sc、Y和大多数镧系元素，碱金属和碱土金属。yoK;D1Z*N2f
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b:D!r(d*X.C'VUii [b]6        碳纳米管的研究[/b]]IU1l1g0DIgH
      碳纳米管自1991 年被发现特别是单层碳纳米管的发现和宏观量的合成成功以来，引起了人们的广泛兴趣，已成为富勒烯领域的一个主要的研究热点，是物理化、化学和材料科学等学科中最前沿的研究领域之一。由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材料；巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6；同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。科学家们预测碳纳米管将成为21世纪最有前途的一维纳米材料，纳米电子器件材料和新一代平板显示材料。
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    碳纳米管的制备主要有直流电弧法，催化法和激光法。北京大学发现在阴极中掺杂Y2O3可以大提高阴极沉积物中的碳纳米管的含量，同时，他们和中科院电镜中心合作对电弧法合成碳纳米管横截结构的高分辨电镜研究显示，碳纳米管的实际结构比理想模型复杂得多，它是由理想同心石墨片圆柱形结构，而很多是卷曲石墨结构，结构中存在大量位错，而且横截面是多边椭圆形。中国科学院物理研究所所采用独特的方法，获得高密度、高纯度、大面积、高取向的离散纳米管列阵，其长度可达90μm，被国际同行公认为一种全新的制备方法。另外北京大学在单层碳纳米管的制备和研究方面也取得了一些成果：在单层碳纳米管的大量合成方面，他们利用新型的催化剂在一定的电弧条件下，每天可获得数十克纯度约为50% ~70%的粗产品，经纯化可使单层碳纳米管的纯度超过90%；在研究过程中，他们提出了以乙炔型碳化物为连接桥梁的单层碳纳米管的生长机理，根据此模型利用不同的催化剂，合成出不同直径分布的单层纳米管，为研究和制备以单碳纳米管为基质的纳米器件单元提供了可选择的原料；他们还对纯化后的单层碳纳米管经化学处理，可将其裁剪和分离成不同长度的单层碳纳料管，经裁剪的单层碳纳米管极易分散在水、酒精和DMF等极性溶剂中形成胶体，为进一步进行化学修饰、功能化和模板组装打下基础。HD0ov6E;R
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      我国在碳纳米复合材料方面也取得了卓有成效的研究结果。清华大学采用激光合金化及后淬火工艺合成碳纳米管/45# 钢复合材料，复合材料硬度可达HRC69，抗磨性质比同样工艺条件下合成的石墨/45# 钢复合材料提高40%。
)j@(VXVm     目前，国际上对碳纳米管的研究方兴未艾。美国佐治亚工学院王中林教授等对碳纳米管进行了大量的研究，发现了许多新科学的现象，并发现了世界上最小的称：纳米称。ng;N\0i5Ib:I
c*~*D{s.M
[b]7        展望[/b]
8f~.ls3s6c!jr+b      富勒烯和碳纳米管由于其独特的结构和化学物理性质，已对化学、物理、材料科学产生了深远的影响，在应用方面显示了诱人的前景。随着研究的不断深入，碳原子簇给人类带来巨大的财富。[/color][/size]

very good:) :) :)

不错的普及读物！谢谢楼主！

这个比较科普,非常适合新手看.

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nice! helpful

d:victory:

充實我的知識，多謝樓主的分享!!!

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正好适合新手上路 呵呵