碳纳米管研究综述.docx

文章编号 :1006 - 7353 (2000) 02 - 0021 - 02碳纳米管研究综述程筠甘仲惟(华中师范大学物理系)摘要 : 本文比较全面地介绍了一种新型的纳米材料 碳纳米管 ,特别对其结构 、物理性质 、制备方法及其在实际中的应用进行了通俗易懂的描述 。关键词 :碳纳米管 ;量子尺寸效应 ;碳弧法 ;纳米线中图分类号 : o511 . 3文献标识码 :a纳米材料被认为是跨世纪材料研究领域的热点 , 有“21 世 纪 最 有 前 途 的 材 料 ”的 美 誉 。而 1991 年 11 月日本电气公司 ( n ec) 基 础研究实验室的饭岛钝雄 ( sumio lijima) 所 发现的碳纳米管 ,作为新型的纳米材料 ,以其 独特的物理 、化学特征 、重要的基础研究意义及在分子器件和复合材料等领域的潜在应用 价值 ,日益受到人们的关注 。碳纳米管又称巴基管 (buckyt ube) ,属富 勒碳系 ,它主要是由石墨的碳原子层卷曲成 圆柱状 ,径向尺寸很小的碳管 。管壁一般由碳六边形环构成 ,此外 ,还有一些五边形碳环 和七边 形 碳 环 对 存 在 于 碳 纳 米 管 的 弯 曲 部 位 ,碳管的 直 径 一 般 在 1 纳 米 到 30 纳 米 之 间 ,而长度可达微米级 。这种针状的碳管 ,管 壁有单层 ,也有多层 ,分别称之为单壁和多壁碳纳米管 。一般说来 ,多壁碳纳米管是由许 多柱状碳管同轴套构而成 ,层数在 2 - 50 层 之间不等 。层与层之间距离约为 0 . 34 纳米 , 与石墨中碳原子层与层之间的距离 0 . 335 纳 米为同一数量级 。观测发现多数碳纳米管在两端是闭合的 。作为一种纳米级的小颗粒 ,碳纳米管与 其它纳米微粒一样 ,表现出小尺寸效应 、表面 与界面效应和量子尺寸效应 。所谓小尺寸效 应是说当纳米粒子的尺寸与光波波长 ,德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时 ,周期性边界 条件将被破坏 ,声 、光 、磁等特征会呈现出新 的尺寸效应 ,如磁有序态变为磁无序态 ,声子 谱发生改变等 ; 表面与界面效应源于纳米微 粒尺寸越小 ,比表面越大 ,使纳米粒子的活性大大增强 ,这种表面原子的活性能引起纳米 粒子表面原子输运和结构的变化 ,也会引起 表面电子自旋构象和电子能谱的变化 ; 而量 子尺寸 效 应 是 指 当 颗 粒 尺 寸 下 降 到 一 定 值 时 ,电子的能带和能级 ,微粒的磁 、光 、声 、热和超导电性与宏观特征显著不同 ,这一效应 在微电 子 学 和 光 电 子 学 中 也 占 有 显 赫 的 地 位 。碳纳 米 管 的 物 理 性 质 与 其 结 构 紧 密 相 联 。首先 ,碳纳米管有较大的强度和韧性 ,例如 ,由一层碳原子的六边形网格卷曲而成的 理想的 单 壁 碳 纳 米 管 的 强 度 约 为 钢 的 100 倍 ,而比重只有钢的 1/ 6 ,而且它的弯曲性和 管卷曲能力都比一般材料要强得多 ,所以碳 纳米管 作 为 力 学 材 料 的 前 景 十 分 乐 观 。另外 ,碳纳米管的导电性能取决于其管径和管 壁的螺旋角 。通常 ,高度旋转对称的纳米管 有两种 方 式 , 即 扶 手 椅 方 向 ( ar mchair ) 和 锯 齿面方向 ( zig) 。人们用 紧 束 缚 近 似 模 型 计 算了碳纳米管的能带结构 ,设 n 为构成碳纳 收稿日期 :2000 - 01 - 2321第 13 卷第 2 期2000 年 4 月高等函授学报 (自然科学版)journal of higher correspo ndence educatio n ( nat ural sciences)vol . 13 no . 2february 2000(如铅) 作用下用硝酸 ( hno3 ) 可以使管口在低温 (400 ) 左右打开 ,或直接在空气中加热 至 700 ,使其顶部发生氧化 也 可 以 打 开 管 口 ,并能填入其它物质 。碳纳米管本身可以 呈金属性也可呈绝缘性 ,如果填入一些金属 或金属氧化物后 ,可以将它看作是极细的导线 ,也叫纳米线 。迄今为止 ,饭岛纯雄等人已 在碳纳米管中填入了铅元素 。另外 ,稀土元 素钽的碳化物 ,铀的氧化物也相报道可以被 填入碳纳米管中 。这些填充了其他物质的碳 管 ,为超精细电子线路的制造开辟了道路 ,具有重要的现实意义 。至今 ,对碳纳米管的研究还存在一些难 点 ,如碳纳米管的生长机制仍不是很清楚 ,通 常制备出的碳纳米管结构上有一些缺陷 ,怎 样使碳纳米管的生长成为可控 ,有关的检测 仪器和手段还不尽理想等等 。科学家们在致力于揭开这些疑团的同时 ,已将碳纳米管优 越的性能广泛应用到了物理 、化学 、材料等各 个领域 。比如在用于电子电器领域中 ,利用 碳纳米管端部曲率半径小的特点 ,在代替钼 针作场发射电极时 ,具有较低的激光电压和自修补功能 ,可大大提高视频系统的效率 ,扩 展其功能 ;利用碳纳米管很好的导电性 ,可研 制出高能微型电池 ,与普通电池相比 ,具有体 积小 ,能量高 ,使用寿命长的特点 ; 用在计算 机后备电源和汽车电子点火电源上有极大的优势 ;碳纳米管优良的吸氢能力 ,可以研制高 效燃料电池 ;通过控制生产工艺 ,使碳纳米管 中的五边形碳环或七边形碳环集中于管身中 部 ,可改变碳纳米管的导电特性 ,使其具有半 导体特性 ,可用于制作碳纳米管电子开关和碳纳米管二极管 ;据报道 ,美国科学家利用碳 纳米管研制碳纳米管计算机 ,已经制成碳纳 米管晶体管 ,体积是普通晶体管的十分之一 , 可以将集成电路尺寸降低两个数量级以上 。 在工程材料领域方面 ,采用多壁 、弯曲的碳纳米管 ,由于其对波的吸收 、折射率较高 ,已被 作为隐身材料在军械上使用 ;在高分子材料米管一个周长的六元环结构的单元数 ,当管轴方向平行于 c c 键时 ,由于 n 不同 ,碳纳 米管可能是导体 ,也可能是半导体 ,具体研究 表明 , 当 n 为 3 的 倍 数 时 , 碳 纳 米 管 为 金 属 性 ,否则为半导体 。其次 ,用碳纳米管制成的 三极管在室温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应 。还有 ,碳纳米管束在磁场作用 下 ,可以发生金属 绝缘体转变 ,而且这种转 变和碳纳米管的半径 ,螺旋性质以及所加外 磁场的方向有关 。目前 ,制备碳纳米管的方法很多 ,最常见的是用碳棒电极在 ar 或 he 气氛中以电弧 放电合成 ,简称碳弧法 ( carbo n arc met ho d) , 这种方法可合成单壁 、多壁和绳状的碳纳米 管 。一般 在 单 壁 碳 纳 米 管 合 成 中 需 要 催 化 剂 ,使用的催化剂包括过渡金属如 co 、ni 、fe 和稀 土 金 属 如 y 和 gd , 混 合 催 化 剂 象 fe/ni 、co/ ni 和 co/ pt 通常用于合成绳状的单 壁碳纳米管 。除了碳弧法之外 ,激光的热蒸 发 ,化学气相沉积 ( cvd) , 离子束辐照 ( ar + 轰击石墨样品) 及利用太阳能合成单壁碳纳 米管等等制备方法也各有报道 。中国科学院物理所的一个研究小组利用化学气相沉积方 法 ,在表面均匀分布着纳米 fe/ sio2 颗粒的 薄膜状 sio2 基底上成功生长出长达 2 mm 的 超长定向碳纳米管列阵 ,并实现了碳纳米管 的顶部生长 。这种超长碳纳米管列阵的成功制备使得常规实验方法对其进行测试成为可 能 ,对碳纳米管的基本性质和实际应用研究 都有重要意义 。通常生长出的碳纳米管宏观 上呈粉末状 ,一般将粉末研磨置于无水乙醇 中经超声波处理后 ,供实验观测和分析 。广泛采 用 的 方 法 是 透 射 电 子 显 微 镜 观 察 法 ( t em) 和 x 射线衍射法 ,利用电子衍射花样 来判断样品的成分组成 。碳纳米管一般呈中空管状结构 ,两端通 常封闭 ,而实验研究表明碳纳米管端口的帽状部分由于出现了五角形结构且弯曲率较大 使其活动能力更强 。科学家们发现在催化剂22第 13 卷第 2 期2000 年 4 月高等函授学报 (自然科学版)journal of higher correspo ndence educatio n ( nat ural sciences)vol . 13 no . 2february 2000文章编号 :1006 - 7353 (2000) 02 - 0023 - 03动量守恒定律的应用王悦(湖北教育学院物理系)摘要 :本文阐明了动量守恒定律的重要性 ,着重讨论了应用动量守恒定律解题时应注意的问题 。关键词 :动量守恒 ;参照系 ;相对性 ;同时性中图分类号 :o 4文献标识码 :a动量守恒定律研究的是物体的动量变化之间的关系 ,它是物理学中最重要的基本定 律之一 。动量守恒定律应用范围广泛 ,实验表明 ,它不仅适用于低速率的宏观物体 ,而且 适用于接近或等于光速运动的微观粒子 ; 不 仅可以用于力学问题 ,在涉及电磁场的问题 及近代物理学中它也有着重要的应用 。用它 解决某些打击 、碰撞 、爆炸及变质量的问题是比较方便的 。 部分中学物理教师在讲授动量守恒定律时遇到一些问题 ,这些问题在大学物理教学 中也常常发生 ,它关系到我们对力学中的这一条守恒定律以及有关概念的理解 ,下面谈谈自己的认识 。设有 n 个物体组成的系统 , 在满足合外 力为零的条件下 , 系统的动量守恒 。即 :ni = 1ni = 1( 1)m i v i0 = m i v i式中 v i0 , v i 分别表示作用前 、后物体所具有的速度 。最简单而又讨论得最多的是由两个 质量分别为 m 1 、m 2 的物体所组成的系统的动量守恒 , 即 :m 1 v 10 + m 2 v 20 = m 1 v 1 + m 2 v 2 ( 2)从 ( 1) 、( 2) 两式中可见 , 正确地理解物体的中加入一定量的碳纳米管 ,可以使高分子材料的电阻率普遍降低三个数量级以上 ,使之 具有抗静电功能 ; 瑞斯 ( rice) 大学的斯玛勒( r. smalley) 小组将单壁碳纳米管粘合到隧 道扫描显微镜和扫描力显微镜的探针上 ,可以探测到粗糙的地方 ,而且当探针接触物体 表面时只发生弯曲 ,撒回时立即弹性恢复原 来准直形状 ,成为一种十分理想的探针材料 。 另外 ,碳 纳 米 管 可 用 来 制 备 复 合 材 料 , 金 刚 石 ,防磨材料 ,润滑剂 ,液体表面保护剂以及记忆元件的电容 ,制备纳米丝和纳米棒等等 。总之 ,碳纳米管正以其优异的性能而备受关注 ,我们相信随着对它进行深入的研究 ,必将 带动一系列相关高科技产业的兴起与发展 , 成为名副其实的最有前途的材料 。参 考 文 献1张礼