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标  题: 神奇的碳纳米管 1 概论
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Dec  7 14:56:21 2003), 站内信件


神奇的碳纳米管

解思深 李玉宝

　　碳纳米管是在用电弧法制备C60时发现的。随后，确认了碳纳米管的结构，发现了碳纳

米管的许多奇特的性质，使得碳纳米管成为新的一维纳米材料的研究热点。 
　　碳纳米管是由类似石墨结构的六边形网格卷绕而成的、中空的“微管”,分为单层管和

多层管。多层管由若干个层间距约为0.34纳米的同轴圆柱面套构而成。碳纳米管的径向尺

寸较小，管的外径一般在几纳米到几十纳米；管的内径更小，有的只有1纳米左右。而碳纳

米管的长度一般在微米量级，相对其直径而言是比较长的。因此，碳纳米管被认为是一种

典型的一维纳米材料。 
　　对碳纳米管的性能，特别是电学性能和力学性能的研究，已有许多理论计算结果。但

是由于多层碳纳米管结构的复杂性，大多数理论计算都是以单层碳纳米管为研究对象来进

行的。虽然大量的理论计算表明,碳纳米管具有电学、力学、光学等方面的许多奇特性质，

但从实验上验证这些特性却十分困难。这主要是因为碳纳米管的尺寸太小，难以用常规实

验手段对其进行测试。尽管困难重重，实验研究仍然取得了许多很有价值的成果。


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标  题: 神奇的碳纳米管 2 奇异的导电性
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Dec  7 14:56:43 2003), 站内信件


碳纳米管的性质与其结构密切相关。就其导电性而言，碳纳米管可以是金属性的，也可以

是半导体性的，甚至在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。此外，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；

而电子在轴向的运动不受任何限制。因此，可以认为碳纳米管是一维量子导线。 
　　作为典型的一维量子输运材料，金属性的碳纳米管在低温下表现出典型的库仑阻塞效

应。当外电子注入碳纳米管这一微小的电容器（其电压变化为ΔV=Q/C，其中Q为注入的电

量，C为碳纳米管的电容）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。当被注入的电子穿过碳纳米管后，反向阻断电压随之消失，又可以继续

注入电子了。 
　　荷兰和美国的科学家，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[1]。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。最近，美国的科学家利用催化热解法成功地制备了碳纳米管－硅纳

米线。测试表明，这种金属－半导体异质结具有二极管的整流作用[2]。这标志着碳纳米管

在微电子技术领域的应用开发工作迈出了重要的一步。 
　　在对单层碳纳米管电子结构研究的基础上，理论物理学家对多层碳纳米管的电子结构

也进行了初步研究。结果表明，由两个金属性(或半金属性)的单层碳纳米管同轴套构所形

成的双层碳纳米管,仍然保持其金属性(或半金属性)的特征。有趣的是，当一个金属性单层

碳纳米管与一个半导体性单层碳纳米管同轴套构而形成一个双层碳纳米管时，两个单层管

仍保持原来的金属性和半导体性。这一特性可用来制造具有同轴结构的金属－半导体器件

。 
　　碳纳米管还具有优异的场发射性能。直径细小的碳纳米管可以用来制作极细的电子枪

，在室温及低于80伏的偏置电压下，即可获得0.1～1微安的发射电流。另外，开口碳纳米

管比封闭碳纳米管具有更好的场发射特性。与目前的商用电子枪相比，碳纳米管电子枪具

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，有望在

新一代冷阴极平面显示器中得到应用。 


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标  题: 神奇的碳纳米管 3 优异的力学性质
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Dec  7 14:57:02 2003), 站内信件


除了奇特的导电性质之外，碳纳米管还有非凡的力学性质。理论计算表明，碳纳米管应具

有极高的强度和极大的韧性。由于碳纳米管中碳原子间距短、单层碳纳米管的管径小，使

得结构中的缺陷不易存在，因此单层碳纳米管的杨氏模量据估计可高达5太帕，其强度约为

钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。因此，碳纳米管被认为是强化相的终级形式，人们估

计碳纳米管在复合材料中的应用前景将十分广阔[3]。此外，碳纳米管高的比表面积使其成

为最有希望的新型储氢材料[4]。 
　　由于碳纳米管本身具有小的直径和很高的长径比（即长度与直径之比），以及良好的

力学及电学性能，因此可以将碳纳米管用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针，使仪

器的分辨率有较大的提高[5]。 
　　通过对碳纳米管进行B、N等元素掺杂已获得了一系列新型纳米管。以碳纳米管为母体

，通过气相反应方法已制备了SiC、GaN等多种纳米棒。这些新的一维纳米材料的出现，必

将对纳米材料的研究和发展产生积极的影响。

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标  题: 神奇的碳纳米管 4 超长定向碳纳米管阵列 
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Dec  7 14:57:28 2003), 站内信件


到目前为止，人们已发明了多种方法来制备碳纳米管，其中以电弧放电法、有机气体
催化热解法和激光蒸发石墨法这三种方法最为有效。但从碳纳米管的基本性质研究和实际

应用的要求来看，目前制备的碳纳米管存在着长度短、分布无序等的不利因素，给碳纳米

管的研究带来了很大的困难。因此，制备出离散分布的高质量碳纳米管，成为人们追求的

目标之一。同时，由于定向排列的碳纳米管阵列在平面显示器中有重要的应用潜力，所以

开发适宜的工艺来大面积制备排列有序、直径均匀、尖端较细的碳纳米管阵列是当前碳纳

米管研究的热点之一。 
　　笔者所在研究组发明了一种采用模板法(template)制备大面积、高密度、离散分布的

碳纳米管阵列的新工艺[6]，并利用改进后的基底，成功地控制了碳纳米管的生长模式，实

现了催化剂颗粒集中在碳纳米管顶部的顶端生长方式。采用这种方法制得的碳纳米管直径

均匀、长度达到了2毫米，比国际上已有的碳纳米管的最大长度提高了1～2个数量级。这一

工作已在英国《自然》周刊（Nature）上发表[7]，并受到高度评价。 
　　在实验中，通过正硅酸乙酯在硝酸铁溶液中水解，制备出表面均匀分布着Fe－SiO2纳

米催化剂颗粒的片状SiO2基底。然后以乙炔为碳源，在600℃条件下，通过催化热解方法在

SiO2基底上制备出大面积的碳纳米管阵列。由于碳纳米管由基底表面垂直向上生长，从而

形成高密度、离散分布的定向碳纳米管阵列。碳纳米管生长均匀，其外径尺寸在20～40纳

米之间，内径尺寸在10～15纳米之间。碳纳米管之间的间距约为100 纳米。这样制备出来

的碳纳米管的石墨化程度较高，仅在管的外层附着少量的非晶碳。在实验范围内(1～48时

)，碳纳米管的长度随生长时间的延长而增大，碳纳米管的生长速率约为30～40 微米/时。

在生长48小时之后，碳纳米管的长度可达到2～3毫米。在世界上,这是迄今为止制备出来的

最长的碳纳米管。 
　　用这种方法，可以很容易地将碳纳米管阵列从基底表面取下而不破坏阵列的离散性和

取向性。对碳纳米管阵列根部进行的电镜观察表明，碳纳米管的根部呈自然开口状态[8]。

在生长碳纳米管之后，Fe－SiO2催化剂颗粒被转移到碳纳米管的头部，这使得碳纳米管的

生长模式成为可控的，从而成功地实现了碳纳米管的顶部生长。 
　　超长碳纳米管阵列的成功制备，为采用常规实验手段测试碳纳米管的性能提供了条件

，这对碳纳米管的基本性质研究和实际应用都有重要意义。理论计算表明，碳纳米管可望

具有极优异的力学性能。然而，碳纳米管的尺寸太小,使人们无法对其进行直接拉伸测试，

对其力学性能的研究只能用非常规的方法。有人在透射电镜中用电子束加热碳纳米管，观

察碳纳米管的热振动幅度，或者用外加一个谐变电场激发碳纳米管的振动，由碳纳米管受

迫振动的振幅和频率推算出其杨氏模量可高达1.8太帕。也有人对一端固定的碳纳米管，利

用原子力显微镜针尖迫使碳纳米管的自由端运动，造成碳纳米管弯曲，测得的平均杨氏模

量为(1.28±0.59) 太帕。 
　　超长碳纳米管的成功制备，使得利用常规方法对碳纳米管力学性能的测定成为可能。

笔者利用一种小型拉伸装置首次对碳纳米管的拉伸特性进行了研究，直接测量了碳纳米管

平行束的杨氏模量和抗拉强度。笔者测得碳纳米管的杨氏模量和抗拉强度分别为(0.45±0

.23)太帕和(1.72±0.64)吉帕。测量结果比理论计算值和前面所述的实验研究结果低，这

主要是由于碳纳米管中存在大量的缺陷以及在拉伸过程中石墨层之间可能产生了相对滑动

。     
　　此外，笔者采用一种新的自加热3ω方法，可以利用超长碳纳米管研究其热学输运性质

，如热导率、比热和热扩散系数等。研究发现碳纳米管的热导率比理论预计的要低得多，

比理想石墨的热导率约低两个数量级。在实验温度范围内(10～300开), 碳纳米管的比热在

整个温区内随温度呈很好的线性关系。     
　　超长碳纳米管的成功制备,不仅易于对碳纳米管的物理性能和力学性能进行研究，而且

用超长碳纳米管容易做成更长寿命的场发射器件,也可以用它们作为加强材料制备新型的复

合材料

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标  题: 神奇的碳纳米管 5 结尾
发信站: 哈工大紫丁香 (Sun Dec  7 14:57:45 2003), 站内信件


碳纳米管作为新型一维功能材料越来越受到科学家和企业家的关注。有关碳纳米管的研究

也更加深入，成为当前重要的国际前沿课题之一，我国科学家在这一领域已取得了若干重

要进展。随着制备技术的日益成熟，相信在即将到来的21世纪，科学家对碳纳米管这种神

奇的一维纳米材料的认识会更清楚，进而可望开发出一系列以碳纳米管为原料的实用化产

品。

[1] Tans S J, et al. Nature, 1998, 393: 49
[2] Hu J, et al. Nature, 1999, 399: 48
[3] Calvert P. Nature, 1999, 399: 210
[4] Chen P, Wu X, et al. Science, 1999, 285: 91
[5] Hafner J H, Cheung C L, et al. Nature, 1999, 398: 762
[6] Li W Z, Xie S S, et al. Science, 1996, 274: 1701 
[7] Pan Z W, Xie S S, et al. Nature, 1998, 394: 631
[8] Pan Z W, Xie S S, et al. Chem Phys Lett, 1999, 299: 97


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