碳纳米管的应用研究

摘 要：碳纳米管由于独特的结构和奇异的性质而备受关注，本文阐述了碳纳米管的各种性质及其应用；并探究了碳纳米管材料在物理化学生物等方面的应用前景。

关键词：碳纳米管；结构；性能；应用前景

基金项目：陕西省大学生创新创业训练项目（1764）（校级：2014XK084）

碳纳米管（CNTs）于1991年由NEC研究所的Sumio Iijima首次发现。碳纳米管[1]由于其独特的结构和奇特的物理、化学和力学特性及其潜在的应用前景而倍受关注，并迅速在世界上掀起了一股研究的热潮。

1 碳纳米管的电学性质及应用

碳纳米管的结构和几何特点决定了其电子学上的独特性，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。目前碳纳米管应用研究的最大领域是电子学领域[2]。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTS的管径大于6mm时，导电性能就下降；当管径小于6mm时，可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。由于电子的量子限域所致，电子有效的运动只能在单层石墨片中沿碳纳米管的轴向方向，径向运动受到限制，因此它们的波矢是沿轴向的。在碳纳米管周围传播的电子只有特定波长的电子被保留下来，其他的则可能完全被抵消，在石墨片里，物理上称为费米点的特殊电子态决定了它的全部导电性，其它态的电子则完全不能自由运动。只有三分之一的碳纳米管具有恰当的直径和螺旋程度，使其允许状态里含有这个特殊的费米点，这些碳纳米管具有金属性，其余三分之二则是半导体。在半导体性质和金属性质的碳纳米管之间可以形成整流结。利用这种特殊的电学性能，碳纳米管可用来制作场效应晶体管[3]。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率，在相对比较低的电压下就能够发射大量的电子，因此，碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，非常适合于用作各种场致发射器件的阴极。实验观察到的碳纳米管上的点缺陷会导致碳纳米管局部呈肖特基势垒或异质况，利用这个特性可以制作尺度非常小的纳米电子器件。因为碳纳米管在物理性质上有明显的量子特点，故可能成为下一代微电子和光电子器件的基本单元。

2 碳纳米管的力学性质及应用

碳纳米管的力学性质一度成为纳米技术研究的热点，理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极好的韧性。它的强度大约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。理论和实验研究结果表明，单壁碳纳米管的杨氏模量可达到1TPa，与金刚石相当。碳纳米管还有极好的韧性而不脆，在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时，当外加压力超过强度极限或弯曲强度时，碳纳米管不会断裂，而是首先发生大角度弯曲，然后打卷绞结在一起形成类似“麻花状”物体，当外力释放后碳纳米管又恢复原状。在垂直于碳纳米管的管轴方向具有极好的韧性，它被认为是未来的“超级纤维”，因此碳纳米管有可能成为一种纳米操作工具。由于碳纳米管具有极高的比强度、比杨氏模量，被认为是一种理想的先进复合材料的增强体，因此关于碳纳米管复合材料的研究也成为其应用研究的一个重要领域。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维，将碳纳米管作为复合材料的增强体，预计可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，预期碳纳米管增强复合材料可能带来复合材料性能的一次飞跃。Baughman等人在碳纳米管的基础上，研制出微型换能器，这种器件在很小的电压下就能产生相当大的形变。Kim等人利用碳纳米管设计开发出纳米镊子，当外加电压从0V增加到8.3V，纳米镊子尖端的距离减小到原来的1/2；当电压达到8.5V时，纳米镊子突然合上。这种纳米镊子不仅可以用于操纵原子和纳米团簇，还可以用于STM/AFM的探针[4]。

3 碳纳米管的光学性质及应用

碳纳米管的发光特性，特别是可见光区的发光性质的研究是近一两年才发现和开始的。由于拉曼光谱的出现，碳纳米管的光学性质越来越受到人们的关注，虽然碳纳米管光学性质的研究时间并不长，但它显示出来的优越的发光特性越来越引起科学界的广泛注意。清华大学的Yong Zhang等人使用远红外激发碳纳米管产生了强烈的可见光。清华大学的Jinquan Wei等人使用超长SWNT和DWNT溶解在酒精中，酒精融化时产生的表面张力将CNT组装在灯丝上取代钨灯丝，然后将CNT灯丝与银电极连接在一起装入真空度为10-7Torr的球形玻璃罩中制成CNT灯。

4 碳纳米管的吸附性质及应用

碳纳米管具有较大的比表面积，其特殊的管道结构及多壁碳纳米管之间芯部和表面都存在大量分子级细孔，比表面积很高，因此可以吸附大量气体是最有潜力的储氢材料。氢能是一种理想的能源载体，而经济有效的储氢手段氢能实现规模应用急需解决的关键问题之一。碳纳米管在存储氢气上表现出的独特性质，使其最有希望成为一种新的高效的储氢材料。1997年，Dillon等创了碳纳米管储氢研究的先河。当时他们采用的样本是包含有金属催化剂和定形碳，未经纯化的单壁碳纳米管，利用程序升温脱附（Temperature ProgrammDesorption，TPD）法测定单壁碳纳米管储氢能力。碳纳米管良好的吸附性能可为催化剂良好的载体，碳纳米管的催化作用主要集中在三个方面：一是提高反应速率；二是决定反应路径，有优良的选择性；三是降低反应温度。

5 碳纳米管的磁学性质及应用

碳纳米管（CNTs）因其独特的管状结构和物理化学性质成为纳米磁性领域研究的热点。碳纳米管具有螺旋、管状结构，具有不同寻常的磁学性能。碳纳米管大的比表面积和纳米通道使其极容易掺杂纳米磁性材料。清华大学在国际上首次使用化学镀膜的方法在碳纳米管外面敷了一层金属镍镀膜，形成一种一维纳米磁性复合材料，有望用于微观磁性研究和高密度磁存储中。

6 碳纳米管的场发射性能及应用

碳纳米管的纳米级发射尖端、大长径比、高强度、高韧性、良好的热稳定性和导电性等，所有这些结构和性能特征使得碳纳米管成为更理想的场致发射材料，有望在冷发射电子枪、平板显示器等方面获得重要应用。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率，在相对比较低的电压下就能发射大量的电子，具有发射阈值低、发射电流密度大、稳定性强、分辨率高等优异的场发射性能，可制作各种场发射器件的阴极。最初，人们普遍采用金属微尖阵列（MicrotipArray）发射阴极。碳质材料的场致发射性能研究始于金刚石材料，当金刚石表面的碳原子与氢键合时，在表面附近形成的电子亲合势为负值，即材料导带中的电子不用穿过任何势垒就可溢出到真空中。但实际上，由于电子补给及传输困难，金刚石材料的场致发射性能受到很大的限制。其它类型的碳材料，如类金刚石薄膜、纳米结构碳、碳纤维等，也具有一定场致发射能力。进入九十年代后期，碳纳米管的发现以及其制备技术的发展为FED显示器件的突破性发展提供了一个良好契机。1995年瑞典的DeHeer研究了碳纳米管的场发射特性，提出将碳纳米管作为场发射电子源的设想，并在Science上发表了他们的研究成果，在学术界引起了很大的轰动。

7 碳纳米管的应用前景

7.1 储氢材料

碳纳米管由于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，并是当前研究的热点。1997年，Dillon等根据实验结果推算出单壁碳纳米管储氢量在5%～10%的范围内[5]；Ye等的低温储氢实验表明80K以下单壁碳纳米管的储氢容量可达到8.25%。目前，根据理论推算和近期反复验证，大家普遍认为碳纳米管可以储放氢量在5%左右，是迄今为止最好的储氢材料。已经证实，碱金属嵌入碳纳米管会极大地提高其储氢性能[6]。

7.2 催化剂良好的载体

纳米材料比表面积大，表面原子比率大（约占总原子数的50%），使体系的电子结构和晶体结构明显改变，从而表现出特殊的电子效应和表面效应。如气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍，担载催化剂后极大地提高了催化剂的活性和选择性。碳纳米管的催化作用主要集中在三个方面：一是提高了反应速率；二是决定反应路径，有优良的选择性；三是降低反应温度。

7.3 理想的锂离子负极材料

碳纳米管的层间距为0.34nm略大于石墨的层间距0.335nm这有利于锂离子的嵌入与迁出，它特殊的圆筒状构型不仅可以使Li+从外壁和内壁两方面嵌入，又可防止因溶剂化锂离子嵌入引起的石墨层剥离而造成负极材料的损坏。碳纳米管掺杂石墨时可提高石墨负极的导电性，消除极化。实验表明，用碳纳米管作为添加剂或单独用作锂离子电池的负极材料均可显著提高负极材料的嵌锂离子容量和稳定性。

7.4 制造纳米导线的最佳材料

由于碳纳米管壁能被某些化学反应所溶解，因此它们可以作为易于处理的模具。只要将金属灌满碳纳米管，然后把碳层腐蚀掉，即可得到纳米尺度的导线。目前，除此之外无其它可靠的方法来得到纳米尺度的金属导线。本法可进一步地缩小微电子技术尺寸，从而达到纳米尺度。

7.5 太空缆绳的首选材料

碳纳米管具有强度高、质量轻的特点。单个碳纳米管的直径只有1.4nm，5万个碳纳米管，并在一起相当于一根头发丝的直径。碳纳米管可能成为未来理想的超级纤维，碳纳米管的一种可能具有突破性的应用，是用于太空升降机。用碳纳米管做成的太空缆绳，与其他物质不同的是它能支持住自身的质量。这就提供了一种把人或物品提升到外层太空的可能的方法，也许将成为人类移居外星球的理想方法。碳纳米管可作为电镜的探针材料。其优异的力学性能使得碳纳米管成为了太空缆绳的首选材料。

7.6 扫描电子显微镜理想的探针材料

碳纳米管不但可以大大改善图像的分辨率，而且能使极微小的深部表面裂纹以及DNA之类的生物分子成像。同时，其尖端与基体接触会引起结构的可逆弯曲而不会遭到破坏。

7.7 碳纳米管可用作制备纳米器件

碳纳米管电子能带结构特殊，波矢被限定于轴向，量子效应明显。实验发现单壁碳纳米管是真正的量子导线，还可作为微电路中的异质节，特别适用于制备纳米电子器件。它稳定性好，又有弹道传输的特性，可制得运算更快、体积更小的单分子场效应晶体管。该晶体管是制造更小巧、速度更快的计算机的关键。同时，碳纳米管还是高性能单电子晶体管材料，而且，它还可被用于分子级开关、储存器、微电池电极和微波增幅器等。

参考文献

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

[2]杨邦朝，陈金菊，冯哲圣.碳纳米管的物性及应用[J].电子原件与材料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.

作者简介

石西（1993―），女，陕西户县人，渭南师范学院物理与电气工程学院，学生。