奈米碳管

奈米碳管是在碳簇研究的剌激之下而诞生的,是只由碳原子所形成的碳的新物质，奈米级的圆筒状结构，它表现出电的特性、拉张强度、复原性、热导性等等优异的特征，从基础科学到工业的应用遍及广泛的领域。

• 中文名 奈米碳管
• 特性 拉张强度、复原性
• 发现 奈米材料里奈米碳管是最知名一种
• 应用领域 基础科学到工业

概述

　　奈米碳管是在碳簇研究的剌激之下而诞生的,是只由碳原子所形成的碳的新物质。

　　奈米级的圆筒状结构，具有特微为碳原子螺旋状排列之一般物质没有的特征。

　　因此，它表现出电的特性、拉张强度、复原性、热导性等等优异的特征，从基础科学到工业的应用遍及广泛的领域，皆受到学者相当大的注意，因此研究有突来自飞猛进的发展。

发现

　　在奈米材料里，奈米碳管(见图一)是最知名的一种

奈米碳管

　　图二C-60分子结构图

C-60分子结构图

C-70分子结构图

　　一九九360百科一年一月，日本NEC公司基础研究实验室的饭岛澄简照识奏男用碳电弧放电法合成碳六十分社子时，发现一些针状物，利用高解析穿透式电子仍生相几边异此显微镜(HighResolutionTransmissionElectronMicroscope,HR-TEM)观察这些针状物，发现针状物为奈米级大小的多层同轴中空的碳管，现在我们称之为多层奈米碳管(MultiwallCarbonNanotube,MWCNT，图四)。

多层奈米碳管

　　尔后一九九三年，又发胡倒氧城医力电迅现单层奈米碳管(SinglewallCarbonNanotube,MWCNT，图一)。饭岛澄男的重要发现马上引起各国、各个科技方面的研究人员的注目，从而探讨了解奈米碳管的特殊结构与优良性质。

结构

　　采用

三种类型

　　不同类型可依据一个碳奈米管的单胞来进行解释，图六中示出的OAB’B方框为王升率世振双矿饭碳奈米管的一单胞，

单明钟建促胞示意图

　　当石墨片来自卷起来形成奈米管的圆筒部分，手性矢量的端部彼此相重，手性矢量形成了奈米360百科管圆形横截面的圆周，不同的m和n值导致不同奈米管结构。

　　碳奈米管的性能由它们的直径和手性角来确定，而这两个参数又取决于n和m值，直径为石墨片上近邻碳原子的间距，当n=m,时形成单臂奈碳管(armchairnanotube)

　　n=0或m=0,则为锯齿形奈碳管(zigzagnanotube)

　　n=0或m=0,时则为本的输欢看互不命验手性奈碳管(chiralnanotube)

　　奈米碳管花质阳山件把诗大茶充可为金属性或半导体的，有1/3小直径的CNT是金属的，而其余为半导体。一般当(n-m)=3i(i为整数值)时，这种(n,m烧图预三架胞危关)奈米碳管为金属原画油念也孙侵革负性的，所有的单臂CNT是金属性的，手性和锯齿奈米管中，部份为金属性，部份为半导体性。

特性

　　碳奈米管具有与金刚石相同的导热和独特的力学性质，其抗张强度比钢的高100倍；杨氏模数前英检占话吸异治凯导高达1TPa左右；延伸居率达百分之几，并具有良好的可弯曲性；单壁奈米碳管可承受扭转形变并可弯成小圆环，格住制应力邱除后可完全恢复到原来状态；压力不会么防击百发良全展导致碳奈米管的断裂，这些十分优良的力学性能使它们有潜在的应用前景，例如，它们可用作复合材料的增强剂。

制程

　　显克形玉(一) 制程种类

　　(1) 电弧放电法(ElectricA球把rcDischa翻附由异随假脱混状rge)

　　(2)雷了露武接容季发射蒸发法(LaserAblation)

雷射蒸发法

电弧放电法

　　(3) 化学气相沈积法(Chemica吃呀油证星空铁lVaporDeposition)

　　(a) ThermalCVD

　　烈个剧办兰(b) MPECVD(MicrowavePlasmaEnhanceCVD)

　　(c) ECRCVD(ElectrocycrotonResonanceCVD)

CV金者间船D成长机制

化学气相沉法

　　(二) CVD成长机制

　　(为法米界策乐热杀三) 各种制程比较

　　目前奈米碳管的合成技术包括号放电法、电射溅镀法(laserablation)、化学气相沈积法(chemicalvapordeposition,CVD)等。其中利用CVD来合成奈米碳管所需的温度较低，且可进行选区寻址成长，并可整合制造场发射器所需之其它结构以及控制电路，目前为制作奈米碳管场发射显示器最主要的技术之一。由于选区寻址成长技术是制造奈米碳管场发射器所必须，因此也成为目前极为热门的研究重点之一。

比较表1

应用

　　由于奈米碳管的弹性极高，其张力强度比钢丝强上百倍，但重量却极轻，且兼具金属的性质与半导体的性质，故奈米碳管的应用范极广，可以用作电路中的连接件、可以用作电路开关、可用在平面显示器等。奈米碳管的发现者饭岛澄男预估：二００五年至二０一０年左右就可制造出省电、厚度仅数公厘的大面奈米碳管显示器。

　　预期在五年至十年内，奈米碳管电池也将开发出来，奈米碳管具有极高储存电力，但极轻的重量，可改善现有电池所有的缺点，如同电池工业的一场革命，未来对电动汽车工业极有帮助。

　　二０一０年左右，以硅为材料的微米级电子电路技术将走到尽头，奈米碳管将成为替代硅和其它半导体材料的最佳材料，可以开发出比现有传输速度与密度高五十倍至一百倍，且省电效益高五十倍至一百倍的电子设备。

　　如何制造一个不易损坏、耐用的探针是奈米产业的另一课题，目前己有人用奈米碳管为探针，因为奈米碳管的弹性极高不易折损，且导电性高不易起化学变化，为理想的探针材料之一。

　　另外，碳六十似乎也为艾滋病带来一线曙光，碳六十的足球状化学结构的键结，能快速地与HIV病毒结合，减低毒素与阻止HIV病毒扩散，这将促使生技医药公司开发新的碳六十药物

　　如果奈米碳管生产成本降到每公克三十三美元，且年产量可达一吨，将可供应产值达数十亿美元的计算机及电视显示器。如果价格降到每公克二十二美元，则更多产业都能运用奈米碳管，例如可做雷达无法侦测的隐形飞机的机壳。如果降到四．四美元，则可运用于一般日常生活用品，例如手机、笔记型计算机、PDA的屏幕。

　　日本2003年奈米科技大会(Nanotech2003)，会中约有近200家厂商、400个摊位介绍各项奈米技术研发与应用现况，其中也不乏许多碳奈米管的研发与应用实例，例如日本产业技术总合研究所(AIST)的NoritakeItronCorp.在展示会场中展示全世界首座40吋的碳奈米管场发射显示器(CNT-FED)。

　　藉由发展CNT-FED技术，除了不仅保留传统阴极射线影像的质量，并具有省电及薄型(厚度可仅数公厘)等优点，未来再结合碳奈米管其它特性，则有机会发展成为兼具低驱动电压、高发光效率、低成本、视角大及省电的大尺寸全新平面显示器。在储能材料的应用上也是碳奈米管最近相当热门的研发重点，根据研究指出，未来不管在锂离子电池或是汽车燃料电池等用途上，一旦可以成功开发出以碳奈米管为材料基质的相关组件，将可发挥比目前大数十倍之储能效果。

　　2002年北加州大学ChapelHill的物理学家与AppliedNanotechnology公司的研究人员利用碳奈米管数组(carbonnanotubearray)制造出新一代的X光源。由于这个数组可以在室温底下操作，因此整个仪器的操作温度远低于现有的设计，而且体积也大幅缩小。此外，研究人员也发现新的X光源具有更优良的聚焦性、更短的反应时间，X光脉冲的波形也可以根据需要而加以修改，以利于追踪移动的目标。

　　IBM于纽约的实验室在2001年六月利用奈米碳管制作出NOT逻辑闸。同年，美国哈佛大学CharlesLieber等人利用奈米金属线等建构了类似的逻辑运算电路。不同的是，Lieber等人对其所使用的奈米线的电性有较好的控制，其利用硅和氮化锭生成P型和N型的奈米金属线，然后将两条奈米金属线相互交错，交错点便相当于一颗晶体管，然后再将这些晶体管联结起来形成逻辑运算电路。不同于传统逻辑运算电路所使用的Topdown微影蚀刻的制造方式，Lieber等人乃是利用Bottomup组装的方式来制备组件，这样的方式将有助于大量制造和测试其所生产出来的电路。

　　此外，由于奈米碳管具有高长径比(aspectratio)、尖端曲率半径小、高结构强度、化学性质稳定、低启动电场的高发射电流等特性，目前被视为绝佳且最有潜力的场发射显示器材料，由于单壁奈米碳管的平均直径约在1~2nm，若使用单壁奈米碳管来做为制造阴极场发射显示器的材料，则其将会是相当尖锐的理想电子发射源，场发射阀值可降低到10V左右，产生较低能耗的新型平板场发射显示器。图六为单壁奈米碳管显示器的结构示意图。

　　图六(a)单壁奈米碳管显示器结构示意图(b)场发射器放大图

　　当物理尺寸到达奈米等级时，电子的充放电过程便不再是连续的，而是量子化的。电子必须单个单个电子进行传输，充入单个电子的能量被称之为库伦阻绝能，而此种在奈米尺度下单个单个电子传输的特性便被称为库伦阻绝效应。单电子晶体管的中心岛可以由单个分子组成，如液晶分子、碳六十、奈米碳管等，图七分别为以奈米碳管和碳六十为中心岛的实例。