3.1纳米材料_一维纳米材料之碳纳米管

第二章纳米材料1零维纳米材料:纳米微粒2三维纳米材料:纳米固体3一维纳米材料4二维纳米材料5纳米复合材料6纳米结构13一维纳米材料3.1一维纳米材料定义3.2一维纳米材料制备3.3一维纳米材料特性和应用3.4典型一维材料:碳纳米管23.1一维纳米材料定义一维纳米材料(P5-01)一维纳米材料是在空间有一维不在纳米尺度范围，而其他二维处于纳米尺度范围(1–100nm)的材料。33.1.1一维纳米材料类型(1)纳米管:细长形状并具有空心结构，即细管状结构如C管、BN管等。(2)纳米棒:细棒状结构,长径比≤10，如SiC棒、Si3N4棒。(3)纳米线:细长形状,其长径比≥10，如Si、SiO2纳米线。(4)纳米带:细长条带状纳米结构,长宽比≥10,一般宽厚比≥3,如ZnO带(5)纳米同轴电缆：是指径向在纳米尺度的核/壳准一维结构，其代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 产物有C/BN/C、Si/SiOx、SIC/SiO2等。43.1.2一维纳米材料可以是:晶体或非晶Amorphousorcrystalline单晶或多晶Singlecrystallineorpolycrystalline纯净物或非纯净物Chemicallypureorimpure独立存在或嵌入在其他介质金属、半导体、陶瓷或者聚合物53.4典型一维材料:碳纳米管3.4.1碳纳米管结构(CNTsStructure)3.4.2碳纳米管制备3.4.3碳纳米管性能与应用2013/10/2363.4.1CarbonNanotube(CNT)结构1.CNT是一种纳米尺度，具有完整分子结构的新型碳材料(1)由碳原子形成的二维六角石墨片卷曲而成的无缝，中空管体(2)两端通常由半球形的大富勒烯分子罩住(3)其直径一般在纳米量级，长度在微米级2013/10/237示意图C60二维六角石墨片卷曲而成2013/10/2382.碳纳米管结构由手性矢量Ch或(n,m)确定2013/10/239碳纳米管类型(1)根据石墨片卷起的方式的不同，CNTs有三种类型:a.锯齿形纳米管(zigzagCNT):手性矢量为(n,0)b.扶手型纳米管(armchair):手性矢量(n,n)c.螺旋型纳米管(chiralCNT):手性矢量(n,m)(2)根据碳纳米管层数的不同，分为a.单壁碳纳米管Single-WalledCNT(SWNT)b.多壁碳纳米管Multi-WalledCNT(MWNT)2013/10/2310不同卷起方式示意图锯齿形zigzag扶手型armchair螺旋型chiral2013/10/2311SWNT和MWNT2013/10/23124.碳纳米管电子结构特性2013/10/23133.4.2碳纳米管制备碳纳米管的制备方法有数十种，包括电弧放电法，激光烧蚀法、催化化学气相沉积法、太阳能法、火焰法、电解法等，这里介绍最常用三种方法：电弧放电法（Arc-discharge)激光烧蚀法(Laserablation)催化化学气相沉积法(CatalyticCVD)2013/10/23141.电弧放电法(Electricarcdischarge)在两个头对头的碳棒之间通过电弧放电，阳极石墨蒸发得到碳气体，沉积在阴极石墨的表面形成碳米碳管。2013/10/2315合成过程(1)抽本底真空(2)通入惰性气体Ar或He,压力为300-600torr(3)阴阳极通电(低电压高电流10-30V，75-100A)(4)逐渐减少阳极阴极间隙，使石墨棒电弧放电(5)阳极石墨电弧作用下蒸发，沉积在阴极石墨的表面形成碳米碳管特点优点：可以获得缺陷少(温度T4000K)的多壁和单壁碳纳米管。缺点：CNT较短，难以控制CNT取向及尺寸；产量比较低，有杂质，须纯化；无法连续生产，重复性差。2013/10/2316He电弧法MWNTIijima,1991,MWCNT的HRTEM图，5层，2层和7层He气氛下直流电弧放电法的MWNTs的2013/10/23SEM图，电流70A,气压200torr17H2电弧放电法MWNT氢气电弧放电法制备MWNT的SEM图(a)纯化前(b)纯化后2013/10/2318电弧放电法SWNT电弧放电法制备SWNT的SEM图2013/10/23192.激光烧蚀法(Laserablation)2013/10/2320合成过程将石墨靶材或石墨靶材混合金属(钴、镍)，放置于石英管中央以加热炉加热至高温(如1200°C)，并通入惰性气体(如He或Ar)。以一脉冲激光照射石墨靶。石墨靶在激光照射下被气化出来，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向低温区，结果在出口附近生成一层黑色膜状堆积物，纯化可得碳纳米管。特点优点：可生成产率超过七成以上的高质量单层碳纳米管碳。缺点：成本最高(激光器)；很难放大生产，限制其进一步工业化应用。2013/10/2321LaserablationSWNTs2013/10/23223.催化化学气相沉积法(CatalyticCVD)2013/10/2323CVD装置图2013/10/2324合成过程首先将放置在石英管内的催化剂材料加热至高温(500-1000°C)，然后通入碳源气体和载气，碳源气体在催化剂上被吸附并分解成碳原子，碳原子溶解进催化剂并扩散，最后碳原子从催化剂析出，反应一段时间就可以得到纳米管。2013/10/2325CVD方法特点(1)最适合CNT的可控生长：如定向、定位、图案化等生长。(2)具有成本低、产量大、实验条件易于控制等优点，是最有希望实现大量制备碳纳米管的方法。(3)缺点是由于反应温度较低，生长的纳米管较多缺陷。2013/10/2326CVD法MWCNT和SWCNTNi片上CVD法制备的多壁CNTs(C2H2)CVD法制备的单壁CNTs(催化剂Fe/Mo，气体CH4):(a)TEM图；(b)HRTEM图；(c)SEM图2013/10/2327定向CVD定向生长2013/10/2328定位和图案2013/10/23293.4.3碳纳米管性能与应用碳纳米管被认为是纳米材料之王，有特殊的结构，优异的力学、电学、热学、光学和化学特性，有巨大的应用前景。2013/10/23301.力学性能及应用高强度SteelCNTYoung’smodulus0.2TPa1(实验)5(理论)TPaTensilestrength<2GPa50(实验)150(理论)GPa密度(g/cm3)7.84SWNT:1.3,MWNT2.6Elongation0.2%15-30%碳纳米管的强度比钢高50多倍，杨氏模量估计可高达１.4TPa，这是目前可制备出的具有最高比强度的材料，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。2013/10/2331极好的可弯折性2013/10/2332具有极好的可扭曲性2013/10/2333扫描探针显微镜的探针和Si或Si3N4探针相比:(1)分辨率、探测深度更高，可以探测狭缝和深层次的特性。(2)可以避免损坏样品及探针针尖，可以对碳纳米管的端部有选择性地进行化学修饰2013/10/23342013/10/2335复合材料碳纳米管/高分子基复合材料碳纳米管增强陶瓷复合材料碳纳米管/金属基复合材料轻质、高强度、热稳定的纳米材料在飞机、火箭、空间站等航空航天领域应用前景极为广阔。美国国家航空航天局认为，航天器采用纳米材料后，到2020年时发射费用可以从现在的１万美元降低到200美元。利用碳纳米管也可作为导电、导热添加物制备功能性复合材料。Tennisrackets,bicycleframes,golfclubs,cartires,militarytanks2013/10/2336太空升降机的缆绳2013/10/2337CNT-reinforcedbicycleparts,whichdelivered10–20%performanceimprovementinmaterialtoughness.Theresultisafull-size,20-speedroadbikethatweighslessthan16pounds,yetisstrongerandstifferthanmostbikesavailableonthemarkettoday.2013/10/2338nanotube-reinforcedsuperlightracket,severaltimesstiffer2013/10/2339压阻MWCNTs增强混凝土路面交通检测2013/10/23402.电学特性及其应用不同结构的碳纳米管的导电性不同，可表现为半导体或导体。CNTconductelectriccurrentssignificantlybetterthancopper.碳纳米管内的电子只能沿轴向运动，沿径向的运动受到很大限制(量子线)。这些十分特殊的电学性能，使碳纳米管在未来的纳米电子学中将得到广泛的应用。2013/10/2341NanotubesforPowerTransmissionLineMaterialsInApril2005theUSgovernment'sNationalAeronauticsandSpaceAdministration(NASA)awardedafour-year,US$11millioncontracttoRiceUniversitysCarbonNanotechnologyLaboratoryinHouston,Texas.Theprojectaimstoproduceaprototypewiremadeentirelyofcarbonnanotubes,whichcouldconductelectricityuptotentimesmoreefficientlythancopper.2013/10/2342havinghighercurrentcapacity；havinglowerenergyloss；lighter2013/10/2343碳纳米管的异质结构碳纳米管异质结T形和Y形结2013/10/2344ElbowconnectionjoiningtwoBranchingnanotubestructure,multiwallednanotubesproducedbythearc-evaporationmethodwithmodifiedelectrodes45CNT晶体管CNT晶体管原型器件纳米管作为通道，两个金电极分别为源极和漏极，高掺杂Si基底作为门电极，通过一层SiO2和器件电隔离。2013/10/2346THESECONDGENERATIONMoreadvancednanotubetransistorshaveindividualgatesontopofthedevice,separatedfromthenanotubechannelbyathinlayerofsilicondioxide.Metalelectrodesformthesourceanddrain.CNTmemoryET=Evdw+Eelas+Eelec2013/10/2348CNT光电发光管Averyusefulpropertyofnanotubetransistorsistheirabilitytoemitlight.Undertherightbiasingconditions,electronsandholesenterthenanotubechannelfromoppositeendsofthedeviceandgiveofflightorheatwhentheymeet.Thispropertyraisestheintriguingpossibilityofcombiningelectronicsandphotonicsintocircuitsbuiltwiththesamematerials.CNT传感器2013/10/2350示意图513.场发射特性及应用碳纳米管是理想的场发射材料:(1)纳米级的尖端、长径比大(2)电导体，载流能力特别大(3)化学性质稳定(4)机械强度高、韧性好2013/10/2352作为场发射显示器的阴极2013/10/2353CNT显示器和光源Samsung9-inchc-FEDLETI6-inchc-FEDIsehigh-luminanceprimarycolorlightsourceECNU2-inchc-FED2013/10/23544.热学特性Thetheoreticalthermalconductivityofananotubeis20timeslargerthanthatofcopper.Carbonnanotubescanbeusedtodissipateheatfromtinycomputerchips.2013/10/23555.能量存储(1)储氢(2)锂离子插入(3)超级电容6.模板2013/10/2356