碳纳米管

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Biosensors and Bioelectronics 34 (2012) 83–87

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Biosensors and

Bioelectronics

j o u r n a l h o m e p a g e :w w w.e l s e v i e r.c o m /l o c a t e /b i o

s

An ultrasensitive ?uorescent aptasensor for adenosine detection based on exonuclease III assisted signal ampli?cation

Peng Hu a ,b ,Chengzhou Zhu a ,b ,Lihua Jin a ,b ,Shaojun Dong a ,b ,?

a State Key Laboratory of Electroanalytical Chemistry,Changchun Institute of Applied Chemistry,Chinese Academy of Sciences,Changchun,Jilin 130022,PR China b

Graduate School of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039,PR China

a r t i c l e

i n f o

Article history:

Received 8October 2011

Received in revised form 11January 2012Accepted 17January 2012

Available online 14 February 2012

Keywords:Aptamer

Graphene oxide Exonuclease III

a b s t r a c t

We report here a graphene oxide (GO)-based ?uorescent aptasensor for adenosine detection by employ-ing exonuclease III (Exo III)as a signal amplifying element.In the absence of adenosine,the adenosine aptamers hybridized with the complementary DNA (cDNA),and the Exo III could not cleave the single-strand signal probes labeled with carboxyl?uorescein (FAM)at its 5 ends.When the graphene oxide was ?nally added,it could strongly adsorb the single-strand signal probes and quenched the ?uorophore effectively.In the presence of adenosine,the aptamers associated with the targets,which led to the for-mation of duplex DNAs between the cDNAs and the signal probes.The Exo III thereafter could digest the duplex DNAs from 3 blunt terminus of signal probes,liberating the ?uorophore.Upon adding the GO,the ?uorophore could not be adsorbed and quenched.By coupling cyclic enzymatic cleavage,a remarkable ?uorescent increase was obtained.Due to the speci?c recognition ability of the aptamer for the target and the powerful quenching property of GO for signal probe,this proposed approach has a good selectivity and high sensitivity for adenosine.In the optimum conditions described,>100%signal enhancement was achieved and a limit of detection as low as 1nM was obtained,which is lower than those of commonly used ?uorescent aptamer sensors.Moreover,the biosensor exhibited an ultrahigh sensitivity and held a versatile platform for clinical diagnostics,molecular biology and drug developments.

? 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.

1.Introduction

Small molecules have a variety of biological and pharmaceu-tical functions in living organisms.These compounds,which are natural or arti?cial,interact with the carrier of genetic informa-tion (DNA,RNA)and have wide perspective in chemical genetics,molecular diagnostics and drug development (Stockwell,2004;Gao et al.,2004).Adenosine as an endogenous small molecule with potent vasodilator and antiarrhythmic activities has received much attention in recent years.In the peripheral nervous system,adeno-sine is involved in the control of smooth muscle contraction,the regulation of cerebral and ocular blood ?ow,and is a powerful vasodilator (Phillis,1989;Portellos et al.,1995;McMillan et al.,1999).In the central nervous system,it plays a well-established modulatory role of neurotransmission and serves as a neuroprotec-tive agent against ischemic-and seizure-induced neuronal injury (Dunwiddie and Masino,2001).Moreover,adenosine is the core of the cell’s energy-containing compound,ATP.The detection of adenosine therefore is of great value.Methods currently reported for the assays of adenosine include af?nity chromatography,cap-illary electrophoresis,electrochemistry,?uorescence,colorimetry,

?Corresponding author.Tel.:+8643185262101;fax:+8643185689711.E-mail address:dongsj@https://www.360docs.net/doc/b03422866.html, (S.Dong).

etc.(Deng et al.,2003;Lin et al.,1997;Sun et al.,2009;Wu et al.,2007;Chen et al.,2010;Liu et al.,2009).Though these methods serve as useful tools for the determination of adenosine,the need of precise pretreatment,complicated electrode modi?cation,or lim-ited throughput may pose limitations in their practical applications.Consequently,the development of sensitive,speci?c,cost-ef?cient,easily automated for parallel assays of adenosine are greatly desir-able.

Signal ampli?cation strategy based on Exo III has been employed to produce stronger optical signal (?uorescence,SPR,UV–vis,etc.)in various DNA sensors (Wang et al.,2005;Ma et al.,2011;Lee et al.,2005;Ou et al.,2010;Chen et al.,2011).Exonuclease III (Exo III)is a DNA-modifying enzyme and is used very frequently in molecular biology.It acts as a 3 –5 exonuclease liberating 5 -mononucleotides from the 3 -hydroxyl termini of duplex DNA as well as an endonuclease at AP sites.The enzyme’s preferred sub-strates are 3 blunt or recessed termini of dsDNA and does not attack single-stranded DNA (ssDNA)or oligonucleotides since the hydrol-ysis is speci?c for base-paired nucleotides (Richardson et al.,1964;Brutlag and Kornberg,1972;Zhang et al.,2008;Roychoudhury and Wu,1977).The cleavage of DNA by Exo III appears to be pro-cessive,and cyclic enzymatic digestion of DNA can be achieved.These characteristics provide a useful tool for probing the target selectively in vitro after Exo III treatment (Ren et al.,2004;Zuo et al.,2010).

0956-5663/$–see front matter ? 2012 Elsevier B.V. All rights reserved.doi:10.1016/j.bios.2012.01.022

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Table1

Synthesized oligonucleotides probes(5 –3 ).

Aptamer ACCTGGGGGAGTATTGCGGAGGAAGGT TTTT Signal probe FAM-TATTGCGGAGGAA C

cDNA1GTTCCTCCGCAAT TTTT

cDNA2GTTCCTCCGCAATA CT TTTT

cDNA3GTTCCTCCGCAATA CTCC TTTT

In the present study,we developed the proof-of-principle of a novel ampli?ed?uorescent aptasensor for adenosine detec-tion employing the cleavage function of exonuclease III of Escherichia coli on double-stranded DNA(dsDNA).The sensing mechanism of the approach is based on the following:the adeno-sine aptamer provides with the capacity of selective binding the target molecules and the Exo III offers the sequence-independent ampli?cation and https://www.360docs.net/doc/b03422866.html,pared with existing assay tech-nologies that commonly involve separation steps,surface-based operations or complicated modi?cations,our assay strategy is able to offer desirable sensitivity,high selectivity,increased throughput, low cost,and simpli?ed operations.

2.Experiments

2.1.Reagents

All the oligonucleotides probes used in the experiments, as shown in Table1,were obtained from Shanghai Sangon Biotechnology Co.Ltd.(Shanghai,China).Exonuclease III was purchased from Takara Biotechnology Co.Ltd.(Dalian,China). Graphene oxide(GO)was synthesized by a modi?ed Hummers’method(Hummers and Offeman,1958;Kovtyukhova et al.,1999). Tris(hydroxymethyl)aminomethane(Tris)and all the other chem-icals were of analytical reagent grade and were used as received without further puri?cation.Solutions were prepared with deion-ized water processed with a Milli-Q ultra-high purity water system (Millipore,Bedford,MA,USA).Unless otherwise stated,all the reagents were prepared with Tris–HCl buffer containing20mM Tris,pH8.0.

2.2.Fluorescence detection of adenosine

The standard solution of adenosine was prepared in Tris–HCl buffer(20mM Tris–HCl,100mM NaCl,pH8.0).Different concen-trations of adenosine were obtained by diluting standard solutions. The following procedure was used to study the concentration-dependent experiments:A5?L droplet of aptamer(0.8?M)was mixed with10?L different concentrations of adenosine,the mix-ture was incubated for1h at room temperature.Then,the cDNA2 (5?L,0.8?M)and the signal probe(5?L,4?M)were added respec-tively in the reaction mixture and incubated for40min.Finally,16U Exo III was added to perform the digestion reaction in4?C refrigera-tor.After digestion,the reaction was terminated through heating at 75?C for5min.Subsequently,470?L GO(6?g)was added to give ?nal volumes of500?L.Then,the?uorescence spectra were mea-sured by a Fluoromax-4spectro?uorometer(HORIBA Jobin Yvon, Inc.,NJ,USA)using ultraviolet quartz cell at room temperature. The emission spectra were recorded in the wavelength range of 503–650nm upon excitation at494nm.Excitation and emission slits were set as3nm and5nm,respectively.

2.3.Gel electrophoresis analysis

The samples in the absence and presence of adenosine were prepared according to the?uorescence detection procedures.The aptamer,cDNA2,signal probe and cDNA2/signal probe samples without enzymatic digestion were also prepared,and the relevant reagents were replaced by their corresponding buffer solution.4% (w/v)agarose gels were dissolved in TAE(Tris-HAc40mM,and EDTA1mM and pH8.0)buffer.10?l of each samples and2?l of DNA marker were mixed with1.5?l of GelDye TM Super Buffer Mix,and loaded into the gels.The gels were run at110V and pho-tographed under UV light using a?uorescence imaging system (Vilber Lourmat,Marne laVallee,France).

3.Results and discussion

3.1.Design of the?uorescence sensor

Our new detection system consists of Exo III,a single-stranded signal probe,an adenosine aptamer,three complementary DNAs (cDNAs)and the aqueous solution of GO.The binding site of adeno-sine is the italic region of the aptamer sequence.The bold part of the signal probe is complementary to that of the cDNAs and the underlined sequences of the cDNAs are designed to complement to the partial aptamer sequence.The aptamer and the cDNAs are specially designed and all of them have four thymine nucleotides on their3 ends to resist the cleavage of Exo III.Some litera-tures have reported that double-stranded DNAs with up to three mismatched terminal nucleotides at far recessed3 ends were hydrolyzed by Exo III while that of more than4nt could not be digested(Brutlag and Kornberg,1972).The4nt-protrusions in the double-stranded DNA with cytosine nucleotide in the3 ter-minal position were a preferred substrate for Exo III(Linxweiler and Horz,1982;Hoheisel,1993).Based on this,four thymine nucleotides3 overhangs are used to protect DNA terminal from Exo III digestion in order to achieve unidirectional deletion.As illustrated in Scheme1,the developed aptasensor demonstrated a signal-on architecture in response to the target.In the absence of adenosine,the adenosine aptamer hybridized with the cDNA, and the Exo III could not cleave the single-strand signal probes labeled with carboxyl?uorescein(FAM)at its5 ends.When the GO was?nally added,it could strongly adsorb the single-strand signal probes because of the?-stacking interaction between the ring structures in the nucleobases and the hexagonal cells of the GO and quenched the?uorophore effectively(Lu et al.,2009;He et al.,2010).In the presence of adenosine,the aptamers associ-ated with the targets,which led to the formation of duplex DNAs between the cDNAs and the signal probes.The Exo III thereafter could digest the duplex DNAs from3 blunt terminus of sig-nal probes,liberating the?uorophore.The released cDNAs then hybridized with another signal probes to undergo a new cleavage reaction.Through such a cyclic hybridization–hydrolysis process, an adenosine molecule could trigger cleavage of a large quan-tity of signal probes.Upon adding the GO,the?uorophore could not be adsorbed and quenched,resulting in a remarkable?uores-cent increase.Fig.1shows the feasibility of the proposed method. An over100%relative?uorescence signal(R(%)=(F?F0)/F0×100, where F and F0are the?uorescence intensity at517nm in the presence and absence of adenosine,respectively.Unless otherwise indicated,the relative?uorescence was used throughout the exper-iments)increase was observed when the Exo III was employed. However,the corresponding signal gain in the absence of exonu-clease III ampli?cation was only40%or so,which is due to the formation of duplex DNAs between the cDNAs and the signal probes in the presence of adenosine,the GO does not adsorb dou-ble stranded DNAs and so the?uorescence of the probe is not quenched.

3.2.Electrophoresis characterization

Direct evidence to show the signal ampli?cation strategy is provided by agarose gel electrophoresis analysis.As shown in

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Scheme 1.Schematic representation of the enzymatic ampli?ed assay of adenosine.

Fig.2,the band of aptamer in lane 1was too weak to be observed when the gels were run for 30min.However,there was a vague band when doing it for 10min,demonstrating the existence of aptamer (Fig.S1).Lane 4showed lower mobility and brighter than Lane 2and 3due to the formation of dsDNA structure.How-ever,there was no band appeared between 20bp and 40bp in lane 5and 6,indicating no dsDNA existed in the samples.Two brighter ?uorescent bands were also observed in lane 5and 6,and the result could be attributed to the enzymatic reaction.It is well known that the ?uorophore is very sensitive to the exter-nal environment and surrounding nucleotide sequences,and the four nucleotides can more or less quench the ?uorophore.Thus,once the single-stranded oligonucleotide labled with

?uorophore

Fig.1.The relative ?uorescence response of the sensing system under the circum-stances of no enzymatic cleavage,4?C and 37?C enzymatic cleavage,respectively.The concentration of adenosine is 100?M.The emission spectra were recorded in the wavelength range of 503–650nm upon excitation at 494nm.Excitation and emission slits were set as 3nm and 5nm,respectively.

formed duplex DNA with its cDNA or the ?uorophore was liber-ated from the single-stranded oligonucleotide,the ?uorescence would be enhanced to some extent compared with the case men-tioned above.In the presence of adenosine,the Exo III could digest the signal probes,liberating the ?uorophores.However,the signal probes could also be digested to a certain degree in the absence of adenosine.Therefore,we could observe the brighter bands in Lane 5and 6than that of Lane 3.These results demonstrated that the Exo III could successively digest the signal probes,liberating the ?uorophores and realizing the ampli?cation of signal success-

fully.

Fig. 2.Gel electrophoresis image for signal ampli?cation https://www.360docs.net/doc/b03422866.html,nes L,DNA marker;lane 1,aptamer;lane 2,cDNA2;lane 3,signal probe;lane 4,cDNA2/signal probe;lane 5,aptamer/cDNA2/signal probe digested by Exo III;lane 6,aptamer/adenosine/cDNA2/signal probe digested by Exo III;The concentrations and volume of aptamer,cDNA2,signal probe and Exo III are 0.8?M/5?l,0.8?M/5?l,4?M/5?l and 8U/?l/2?l,respectively.The gels were run for 30min.

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3.3.Optimizing experiment parameters

Reaction temperature is of great importance for the enzymatic cleavage.Theoretically,the optimum incubation temperature should be carried out at37?C.However,the net signal gain was very low under these conditions(Fig.1).We reasoned that the hybridized signal probes on cDNAs were digested by the Exo III. Followed by the enzymatic reaction proceeding,the hybrids of the signal probes and the cDNAs become unstable,inducing the release of?uorophore which has about7nt tail sequence accompanied with the dissociation of the hybrids(Okano and Kambarai,1995). The shortened signal probes were strongly adsorbed by the GO and the?uorescence was quenched,which resulted in a low?u-orescence signal in the presence of adenosine.when the assay was conducted at4?C,the exonuclease could digest the signal probes into extremely short oligonucleotides.The released quasi-free or free FAM?uorophores could not be adsorbed by the GO,which led to dramatically enhanced signal gain and signi?cantly improved detection limit(Fig.1).

The incubation time for DNA cleavage by Exo III is another important factor in our experiments.Fig.S2depicts the cleavage time-dependent response signal for the adenosine assay.The?uo-rescence signal increased rapidly with the increment of incubation time,then reached a maximum at about48h,and?nally decreased slowly.We speculated that further increase of the incubation time gave rise to the elevation of?uorescence background because of the single-stranded signal probes were digested by the Exo III(Okano and Kambarai,1995),hindering the sensitive monitoring of adeno-sine.Therefore,48h was set as the optimal cleavage time.Though the cleavage time estimated by the present assay scheme is longer than previous reports(Wang et al.,2005;Ren et al.,2004;Zuo et al., 2010)due to the low digestion reaction speed at4?C,the gain of our assay was prominent that we could readily obtain a remarkable signal difference between the target and blank.Besides,to achieve the maximum?uorescence signal difference,the sequence length of cDNAs(cDNA1,cDNA2and cDNA3)was also investigated in the absence and presence of100?M adenosine.As shown in Fig.S3, the17mer cDNA1showed a moderate signal difference owing to the rather low ability of associating with signal probe for its short sequence.The20mer cDNA2was the most effective oligonu-cleotide and obviously had?uorescence enhancement ef?ciency. Further increase of the sequence length(cDNA3)could not augment the difference due to its hybridization with aptamer,inhibiting the cleavage of signal probes.This observation implied that the appro-priate length of cDNAs could effectively enlarge the?uorescence response difference and simultaneously maintain the stability of aptamer/adenosine complex.Then the cDNA2was chosen as the optimum cDNA due to its good performance in the experiments.

3.4.Analytical performance of the aptameric sensor

As a successful protocol for adenosine detection which can be adapted to potential clinical applications,good analytical per-formance is one of the most important issues.In our proposed strategy,we employed Exo III for the performance enhancing. Under the optimum conditions,we evaluated the?uorescence spectra of exonuclease ampli?ed assay for adenosine of vary-ing concentrations.Fig.3displays the?uorescence response to the adenosine concentrations in the range from0nM to100?M. The peak intensity showed a linear correlation to the loga-rithm of adenosine concentration within the range from5nM to100?M(inset of Fig.3),and the regression equation was F=1.30×105log[C adenosine]+1.87×106with a correlation coef?-cient of0.99.The detection limit was experimentally determined to be1nM.Because the given detection limit in our experiment is not calculated based on theoretical calculation(3 )but

the Fig.3.Fluorescence spectra of exonuclease ampli?ed assay for adenosine of varying concentrations.The inset shows the?uorescence response at517nm versus adeno-sine concentration.Each concentration was measured three times and averaged. Error bars are standard deviation(SD)across three repetitive experiments.

minimum concentration which can distinguish from the blank sam-ple under the sensor system,The result is of great applicability and https://www.360docs.net/doc/b03422866.html,pared with other reported methods of adenosine assays(Lin et al.,1997;Deng et al.,2003;Wu et al.,2007;Sun et al., 2009;Liu et al.,2009;Chen et al.,2010;Huang et al.,2011;Yan et al.,2011),the proposed strategy displayed improved sensitivity. It should be noted that our result was also comparable to the recent reports(Zhou et al.,2010;Zhu et al.,2011;Wang et al.,2011).

3.5.Selectivity of the aptameric sensor

To verify that the?uorescence signal was triggered by the speci?c interaction of the aptamers and adenosines,control experi-ments were also performed by incubating the aptasensor in several aqueous solutions containing uracil,guanine,and cytosine.Fig.4 depicts the in?uence of the interferents on the?uorescence change. Although the structure of interferents is similar to that of target, the relative?uorescence response to the interferents was about ?5.3–7.0%even at a higher concentration than that of adenosine. Moreover,the?uorescence intensity upon addition of the mix-ture of adenosine,cytosine,guanine and uracil only decreased slightly,indicating that the fabricated aptasensor is very speci?c to

adenosine.

Fig.4.The relative?uorescence response in the presence of guanine(200?M), cytosine(200?M),uracil(200?M),adenosine(100?M)and the mixture(uracil (46.8?M),guanine(46.8?M),cytosine(46.8?M)and adenosine(100?M)),respec-tively.

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4.Conclusion

In summary,we have developed a novel homogeneous?uores-cent aptasensor for adenosine assay based on Exo III assisted signal ampli?cation.By coupling cyclic enzymatic cleavage and GO for signal ampli?cation,our system provided a detection limit of1nM. More importantly,due to the intrinsic property of Exo III which does not require a speci?c recognition site and can undifferentiated degrade duplex DNAs from the3 -hydroxyl termini,our method shows an excellent sequence-independent property and could be widely applied to detect DNAs,proteins,small molecules and metal ions with speci?c designed oligonucleotides.Notably,the homo-geneous assay platform allows this technique to be greatly robust, cost-ef?cient,readily automated,and scalable for parallel assays of hundreds of samples.In consideration of these advantages,this strategy may hold potential as a versatile platform for molecular diagnostics,chemical biology,and drug developments.

Acknowledgments

The work was supported by the National Natural Science Foundation of China(21075116,20935003)and the973Project (2011CB911002,2010CB933003).

Appendix A.Supplementary data

Supplementary data associated with this article can be found,in the online version,at doi:10.1016/j.bios.2012.01.022.

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关于碳纳米管的研究进展综述

关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月,Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子,称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年,通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管;同年,Yacaman等以乙炔为碳源,用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有

碳纳米管的特性及应用_孙晓刚

作者介绍:孙晓刚(1957-),男,吉林人,江西金世纪冶金(集团)股份有限公司高级工程师,长期从事碳纳米管制备工 艺的研究,并对碳纳米管的工业化生产进行了广泛深入的研究和商业策划工作。 收稿日期:2001-02-21 修回日期:2001-05-08 碳纳米管的特性及应用 孙晓刚1,曾效舒2,程国安2 (1.江西金世纪冶金(集团)股份有限公司,江西南昌 330046; 2.南昌大学,江西南昌 330029) 摘 要:介绍了巴基球及碳纳米管的发现和历史,重点介绍 了碳纳米管的基本性能和晶体结构,描述了碳纳米管电传导 和热传导的机理。文中还介绍了碳纳米管的主要生产方法 和各自的优点。根据全球碳纳米管应用研究的方向,对碳纳 米管的应用领域进行了探讨,展望了碳纳米管的应用前景及 商业开发价值。 关键词:碳纳米管;性能;制备;应用 中图分类号:T B383 文献标识码:A 文章编号:1008-5548(2001)06-0029-05 1 碳纳米管简介 仅仅在十几年前,人们一般认为碳的同素异形 体只有两种:石墨和金刚石。1985年,英国Sussex 大学的Kroto教授和美国Rice大学的Sm alley教授 进行合作研究,用激光轰击石墨靶以尝试用人工的 方法合成一些宇宙中的长碳链分子。在所得产物中 他们意外发现了碳原子的一种新颖的排列方式,60 个碳原子排列于一个截角二十面体的60个顶点,构 成一个与现代足球形状完全相同的中空球,这种直 径仅为0.7nm的球状分子即被称为碳60分子。此 即为碳晶体的第三种形式。 1991年,碳晶体家族的又一新成员出现了,这 就是碳纳米管。日本NEC公司基础研究实验室的 Iijima教授在给《Nature》杂志的信中宣布合成了一 种新的碳结构。它由一些柱形的碳管同轴套构而 成,直径大约在1~30nm之间,长度可达到1μm。 进一步的分析表明,这种管完全由碳原子构成,并可 看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴, 卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的 距离约为0.34nm,与石墨中碳原子层与层之间的距 离0.335nm相近,所以这种结构一般被称为碳纳米 管。这是继C60之后发现的碳的又一同素异形体, 是碳团簇领域的又一重大科研成果。 碳纳米管由层状结构的石墨片卷曲而成,因卷 曲的角度和直径不同,其结构各异:有左螺旋的、右 螺旋的和不螺旋的。由单层石墨片卷成的称为单壁 碳纳米管,多层石墨片卷成的称为多壁碳纳米管。 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1nm左右。 而碳纳米管的长度一般在微米量级,长度和直径比 非常大,可达103~106,因此,碳纳米管被认为是一 种典型的一维纳米材料。 碳纳米管、碳纳米纤维材料一直是近年来国际 科学的前沿领域之一。仅就碳纳米管而言,自从 1991年被人类发现以来,就一直被誉为未来的材 料。 2 基本性能 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。 无缺陷金属性碳纳米管被认为是弹道式导体,其导 电性能仅次于超导体。根据经典电阻理论和欧姆定第7卷第6期 2001年12月 中 国 粉 体 技 术 China Powder Science and Technology Vol.7No.6 December2001

碳纳米管的性质性能及其应用前景

碳纳米管的性质性能其应用前景 The Properties and Applications of Carbon Nano-Tubes 张雅坤北京师范大学化学学院201411151935 摘要:从1991年被正式认识并命名至今,碳纳米管凭借其特殊的结构及异常的力学、电学和化学性能获得了材料、物理、电子及化学界的广泛关注。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入,其广阔的应用前景也不断地展现出来。本文主要对碳纳米管目前的性质性能及其应用前景进行了系统详细的介绍【8】。 关键词:碳纳米管、无机化学、性质性能、应用前景 一、综述 1.发展历史与研究进程 在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Lijima)在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”,即碳纳米管,又名巴基管。 1993年,S. Lijima等和D. S. Bethune等同时报道了采用电弧法,在石墨电极中添加一定的催化剂,可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管,即单壁碳纳米管产物。

1997年,A. C. Dillon等报道了单壁碳纳米管的中空管可储存和稳定氢分子,引起广泛的关注。相关的实验研究和理论计算也相继展开。据推测,单壁碳纳米管的储氢量可达10%(质量比)。此外,碳纳米管还可以用来储存甲烷等其他气体。但该猜测在后来被证实是错误的,碳纳米管无法用于储氢的主要问题有两个:一是假如作为容器进行储氢,则无法对其进行可控的封闭和开启;二是假如用于氢气吸附,则其吸附率不超过1%(质量分数)。 能否控制单壁碳纳米管的生长是近二十余年来一直困扰着碳纳米管研究领域科学家们的难题,能否找到控制方法也成为碳纳米管应用的瓶颈。2014年,这道世界性难题被北京大学李彦教授研究团队攻克,该团队在全球首次提出单壁碳纳米管生长规律的控制方法,研究成果已于2014年6月26日发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上,这是碳纳米管研究方面的又一大突破。 2.碳纳米管的制备方法 常用的碳纳米管制备方法主要有:电弧放电法、激光烧蚀法、化学气相沉积法(碳氢气体热解法)、固相热解法、辉光放电法、气体燃烧法以及聚合反应合成法等。 2.1电弧放电法 电弧放电法是生产碳纳米管的主要方法。1991年日本物理学家饭岛澄男就是从电弧放电法生产的碳纤维中首次发现碳纳米管的。电弧放电法的具体过程是:将石墨电极臵于充满氦气或氩气的反应容器中,在两极之间激发出电弧,此时温度可以达到4000度左右。在这种条件下,石墨会蒸发,生成的产物有富勒烯(C60)、无定型碳和单壁或多壁的碳纳米管。通过控制催化剂和容器中的氢气含量,可以

碳纳米管科普

碳纳米管科普 骞伟中?
一 心细如发,发真得够细吗??
中国有句谚语为"心细如发",用来形容一个人的心思缜密,细微程度达 到了头发丝的尺寸。 在古人的眼里, 头发丝已经是非常细的东西的代表了。 或者, 人们形容薄时,爱用“薄如蝉翼” ,但蝉翼真得够薄吗?然而,大家知识头发丝 的直径或蝉翼的厚度是什么尺度的吗?仅仅是几十微米而已。 有没有比头发丝更 细的丝及比蝉翼更薄的纸吗? 事实上还多得很。 比如铜丝,现代的加工技术可以将铜丝拉伸到小于 10 微米的级别。用于光 导通讯的玻璃纤维丝,也能达到这个级别。 而更绝的是,用激光刻蚀可以在硅片上刻出几十纳米(nm)的细槽,从而成 为现代超级计算机的基础。 但你可能更加想不到的是, 人类真得造出了直径仅 0.4‐1nm 的碳丝(图 1), 而 且还是中空结构。这种材料与头发丝相比,直径小了 1 万倍。另外一种比喻可以 让你进一步想象 1nm 有多大,人的指甲的生长速度几乎是不为人察觉的。人一 般觉得指甲长了,总得一周左右 的时间。但即使这样,您的指甲 仍以每秒 1nm 的速度在不停地生 长。但由于一个分子的大小也就 在 0.3nm(如氢气分子)到 0.6 nm(如苯分子),所以你可以想象 这种碳丝在本质上就是一种原子 线或分子线。但它的确构成了一 种长径比巨大的固体材料,成为 一种实物,而不再是无所束缚的, 到处乱跑的分子或原子。
图1 碳纳米管的三种卷曲结构 (从上而下的英文 字形结构;手性结构)?
armchair
zigzag
chiral
为:扶手椅式结构;Z

实际上, 这种神奇的材料的发现是基于非常偶然的机缘。 在 1985‐1990 年间, 科学家热衷于制造一种形状像足球的由 60 个碳组成的分子。这种分子通常是用 电弧放电,将石墨靶上的碳原子进行激发,然后进行自组装而得。而在偶然的机 缘里,科学家发现,只要能量足够,这些碳原子就会自动连接起来,形成一条碳 链。而利用放大倍数在 10 万倍至 100 万倍的电子显微镜下,科学家惊异地发现 这个丝状的材料竟然是中空的管状材料,所以,根据其元素,尺寸与形状,科学 家形象地称这种材料为“碳纳米管” 。应该说这种丝状材料与头发相比,才是真 正算得上细与小。当然如果说一个人“心细如碳纳米管” ,则恐怕不只是“心细 如发”的赞许与褒扬,而或许带有一种调侃或讽刺意味的“小心眼”了。由此可 见,社会科学中的词语包含了粗与细的平衡,什么事都得适可而止,非常玄妙。 然而,在追求真理与真知的“实心眼”科学家那里,却不是这样,自从 C60 与碳纳米管的发现,人类正式进行了纳米时代,可能大家都听过“纳米领带” , “纳米洗衣机” 或 “纳米药物” 。 不论这些东西是否属实, 却毫无疑问地夸耀 “细” 与“小”的作用。 事实上,追求细小或细微或精细,是人类科技进步的一条主线。 从人类走过的路程可以看到,从旧石器时代,新石器时代,以及青铜时代, 铁器时代,到火车轮船时代,以及飞机及计算机时代。从手工打造,铸造,到普 通车床加工, 再到数字车床加工, 激光刻蚀。 比如, 普通汽车与拖拉机的发动机, 一般有成千至万个零件。而飞机或火箭的发动机则有上百万个零件组成。而保证 这个零件良好组合或密封,以及长时间工作不损伤的关键因素,就在加工结构的 精细化与细微化。一般来说,汽车与拖拉机对应的加工精度为微米级,而计算机 与手机等通讯产品中硅片的加工精度则为纳米级。人类加工的产品越来越精细, 也就越来越有功能。而到达纳米级后,计算机硅片的加工要求又从 100 nm,小 到 60?nm,直到目前的 15?nm。这些数字减小的后面,是一代一代计算机的更新 换代与巨大的产业价值。 而我们故事的主人公:碳纳米管,竟然可以小至 0.4‐1nm。大家可以想见, 如果计算机的加工基础可以小到这个程度,或由这么小的材料来组装器件,则现 代的工业革命又将会发生什么样的变化。 在此开篇,有必要向大家介绍一下时空的概念。在时间尺度上,生物的新陈

碳纳米管材料的研究现状及发展展望

碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要: 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能,具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词:碳纳米管;制备;性质;应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60);柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中,发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的,具有封闭球状结构的分子C60。(1996年获得诺贝尔化学奖) 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时,发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm,被称为Carbon nanotubes (CNTs); 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion); 2000年,北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管,发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月,日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员,利用一定能量的中子与C70分子相互作用,首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ,曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体,一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm,亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管(小于100 nm)和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为:(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构,直径在2—20nm之间),如C60,C70等;(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯(graphene)是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3.1电弧法

碳纳米管综述

碳纳米管综述 摘要:本文主要介绍碳纳米管的发现及发展过程,并说明碳纳米管的制备方法及其制备技术。同时也叙述碳纳米管的各种性能与应用。 引言:在1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”,即碳纳米管,又名巴基管。 正文: 碳纳米管的制备: 碳纳米管的合成技术主要有:电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD,以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等。电弧法 利用石墨电极放电获得碳纳米管是各种合成技术中研究得最早的一种。研究者在优化电弧放电法制取碳纳米管方面做了大量的工作。 T. W. Ebbeseo[2]在He保护介质中石墨电弧放电,首次使碳纳米管的合成达到了克量级。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结,D.T.Collbert[3]将石墨阴极与水冷铜阴极座连接,大大减少了碳纳米管缺陷。C. Journet[4]等在阳极中填人石墨粉末和铱的混合物,实现了SWNTs的大量制备。研究发现,铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs 合成。 近年来,人们除通过调节电流、电压,改变气压及流速,改变电极组成,改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外,还通过改变打弧介质,简化电弧装置。 综上所述,电弧法在制备碳纳米管的过程中通过改变电弧放电条件、催化剂、电极尺寸、进料方式、极间距离以及原料种类等手段而日渐成熟。电弧法得到的碳纳米管形直,壁簿(多壁甚至单壁).但产率偏低,电弧放电过程难以控制,制备成本偏高其工业化规模生产还需探索。 催化裂解法或催化化学气相沉积法(CCVD) 催化裂解法是目前应用较为广泛的一种制备碳纳米管的方法。该方法主要采用过渡金属作催化剂,适于碳纳米管的大规模制备,产物中的碳纳米管含量较高,但碳纳米管的缺陷较多。 催化裂解法制备碳纳米管所需的设备和工艺都比较简单,关键是催化剂的制备和分散。目前用催化裂解法制备碳纳米管的研究主要集中在以下两个方面:大规模制备无序的、非定向的碳纳米管;制备离散分布、定向排列的碳纳米管列阵。一般选用Fe, Co、Ni及其合金作催化剂,粘土、二氧化硅、硅藻土、氧化铝及氧化镁等作载体,乙炔、丙烯及甲烷等作碳源,氢气、氮气、氦气、氩气或氨气作稀释气,在530℃~1130℃范围内,碳氢化合物裂解产生的自由碳离子在催化剂作用下可生成单壁或多壁碳纳米管。1993年Yacaman等人[5]采用此方法,用Fe催化裂解乙炔,在770℃下合成了多壁碳纳米管,后来分别采用乙烯、聚乙烯、丙烯和甲烷等作为碳源,也都取得了成功。为使碳离子均匀分布,科研人员还用等离子加强或微波催化裂解气相沉积法制备碳纳米管。 激光蒸发法

碳纳米管(CNTs)

碳纳米管(CNTs) 班级:材料化学班姓名:唐建学号:20110513427 摘要:1991年日本NEC公司的饭岛纯雄(Sumio Iijima)首次利用电子显微镜观察到中空碳纤维,直径一般在几纳米到几十个纳米之间,长度为数微米,甚至毫米,称为“碳纳米管”。从此便引发了碳纳米管研究的热潮和近十几年来碳纳米管科学和技术的飞速发展。本文主要分为两部分: 1、对纳米材料及碳纳米管的相关知识进行介绍 2、于应用层次,讨论纳米材料及碳纳米管的应用前景 关键字:纳米材料概述碳纳米管热点及应用 1、引言 生物科学技术、信息科学技术、纳米科学技术是下一世纪内科学技术发展的主流。生物科学技术中对基因的认识,产生了转基因生物技术,可以治疗顽症,也可以创造出自然界不存在的生物;信息科学技术使人们可以坐在家中便知天下大事,因特网几乎可以改变人们的生活方式。而纳米科学技术作为二十一世纪的主导产业,又将给人们带来怎样天翻地覆的改变呢?…… 2、理论知识 2.1 纳米材料概述 纳米材料:指晶粒尺寸为纳米级(10-9米)的超细材料。从材料的结构单元层次来说,它处于宏观物质和微观原子、分子之间的介观领域。在纳米材料中,界面原子占极大比例,而且原子排列互不相同,界面周围的晶格结构互不相关,从而构成与晶态、非晶态均不同的一种新的结构状态。 纳米科学技术:研究在千万分之一米(10-8)到亿分之一米(10-9米)内,原子、分子和其它类型物质的运动和变化的学问;同时在这一尺度范围内对原子、分子进行操纵和加工又被称为纳米技术。 2.2 纳米材料的特性 2.2.1纳米材料的体积效应 体积效应中的典型例子是久保理论。其是针对金属纳米粒子费米面附近电子能级状态分布而提出的。该理论把金属纳米粒子靠近费米面附近的电子状态看作是受尺寸限制的简并电子态,并进一步假设它们的能级为准粒子态的不连续能级,并认为相邻电子能级间距δ和金属纳米粒子的直径d的关系为:δ=4EF/3N ∞V-1 ∞1/d3(其中N为一个金属纳米粒子的总导电电子数,V为纳米粒子的体积;EF为费米能级)。随着纳米粒子的直径减小,能级间隔增大,电子移动困难,电阻率增大,从而使能隙变宽,金属导体将变为绝缘体。 2.2.2 .纳米材料的量子尺寸效应 当纳米粒子的尺寸下降到某一值时,金属粒子费米面附近电子能级由准连续变为离散能级;并且纳米半导体微粒存在不连续的最高被占据的分子轨道能级和最低未被占据的分子轨道能级,使得能隙变宽的现象,被称为纳米材料的量子尺

碳纳米技术发展综述

碳纳米管技术发展概况 学院:电子信息工程学院 专业:通信工程 姓名:彭昱 学号:3013204217 【摘要】随着社会经济的飞速发展,碳纳米材料的应用日趋广泛,以富勒烯、石墨烯和碳纳米管为代表的碳纳米材料。在经历20世纪90年代的研究高潮后,如今也已经进入了平稳扎实的研究阶段。随着研究的不断深入,碳纳米材料在人类生产生活中显示出越来越多不可替代的重要作用。碳纳米管(CNT)也是“纳米世界”中的重要一员,因其独特的结构和优异的物理化学性能,具有广阔的应用前景和商业价值。本文综述了碳纳米管的发展历程、结构性能,应用及其发展前景及展望。 【关键词】碳纳米管;发展历程;结构;特性;应用;前景 碳纳米管的发展历程 1985 年英国萨塞克斯大学的波谱学家Kroto 教授与美国莱斯大学的Smalley和Curl 两教授在合作研究中,发现碳元素可以形成由60 个或70 个碳原子构成的高度对称性笼状结构的C60和C70分子,被称为巴基球(Buckyballs);1991 年,日本NEC 科学家Iijima 在制取C60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道电子显微镜发现一种外径为515nm、内径为213nm,仅由两层同轴类石墨圆柱面叠而成的碳纳米管;1992年,科研人员发现碳纳米管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性;1995年,科学家研究并证实其优良的场发射性能;1996年,我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长;1998年,科研人员应用碳纳米管作电子管阴极,同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;1999年,韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管;2000年,日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。 碳纳米管的结构 碳纳米管是由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中空纳米管。按照所含石墨片层数的不同,碳纳米管可分为:单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁管典型直径在0.6-2nm,多壁管最内层可达0.4nm,最粗可达数百纳米,但典型管径为2-100nm。下图为常见的碳纳米管结构图。虽然从本质上讲,碳纳米管都是有相同的石墨层构成的但它们的导电特性却并不一样,具体情况取决于起的是金属还是半导体的作用。 碳纳米管的特性 碳纳米管的独特结构决定了它具有许多特殊的物理和化学性质。组成碳纳米管的C=C 共价键是自然界最稳定的化学键,所以使得碳纳米管具有非常优异的力学性能。理论计算表明,碳纳米管具有极高的强度和极大的韧性。其理论值估计杨氏模量可达5TPa,强度约为钢的100 倍,而重量密度却只有钢的1/6。Treacy 等首次利用了TEM 测量了温度从室温到800 度变化范围内多壁碳纳米管的均方振幅,从而推导出多壁碳纳米管的平均杨氏模量约为1.8Tpa。而Salvetat 等测量了小直径的单壁碳纳米管的杨氏模量,并导出其剪切模量为1Tpa。Wong 等用原子力显微镜测量多壁碳纳米管的弯曲强度平均值为14.2±10.8GPa,而碳纤维的弯曲强度却仅有1GPa。碳纳米管无论是强度还是韧性,都远远优于任何纤维,被认为是未来的“超级纤维”。直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异是碳纳米管兼导体和半导体的特性;独特的螺旋分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高的吸收率。此外,碳纳米管还具有独特的光学性能,良好的热传导性,极高的耐酸、碱性和热稳定性。

国产5nm碳纳米管研究新突破

国产5nm 碳纳米管研究新突破 北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳 纳米管电子学领域进行了十多年的研究,发展了一整高性能碳纳米管CMOS 晶体管的无掺杂制备方法,通过控制电极功函数来控制晶体管的极性。集成电路发展的基本方式在于晶体管的尺寸缩减,从而性能和集成度,得到更快功能更复杂的芯片。目前主流CMOS 技术即将发展到10 纳米技术节点,后续发展将受到来自物理规律和制造成本的限制,很难继续提升,“摩尔定律”可能面临终结。20 多年来,科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术,以望替代硅基CMOS 技术。但是到目前为止,并没有机构能够实现10 纳米的新型CMOS 器件,而且也没有新型器件能够在性能上真正超过最好的硅基CMOS 器件。碳纳米管被认为是构建亚10 纳米晶体管的理想材料,其原子量级的管径保证了器件具有优异的栅极静电控制能力,更容易克服短沟道效应;超高的载流子迁移率则保证器件具有更高的性能和更低的功耗。理论研究表明碳管器件相对于硅基器件来说具有5-10 倍的速度和功耗优势,有望满足后摩尔时代集成电路的发展需求。但是已实现的最小碳纳米管CMOS 器件仅停滞在20nm 栅长(2014 年IBM ),而且性能远远低于预期。 北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳纳米

管电子学领域进行了十多年的研究,发展了一整高性能碳纳 米管 CMOS 晶体管的无掺杂制备方法,通过控制电极功函 数来控制晶体管的极性。 彭练矛教授(左)和张志勇教授 (右) 5nm 技术节点实现突破近年来, 该课题组通过优化器件结构 和制备工艺,首次实现了栅长为 10 纳米的碳纳米管顶栅 CMOS 场效应晶体管(对应于 5纳米技术节点),P 型和n 型器件的亚阈值摆幅( subthreshold swing, SS )均为 70 mV/DEC 。器件性能不仅远远超过已发表的所有碳纳米管器 件,并且更低的工作电压(0.4V )下,P 型和n 型晶体管性 能均超过了目前最好的( Intel 公司的 14 纳米节点)硅基 CMOS 器件在 0.7V 电压下工作的性能。 特别碳管 CMOS 晶 体管本征门延时达到了 0.062Ps ,相当于 14 纳米硅基 CMOS 器件( 0.22Ps )的 1/3 。图 1:10 纳米栅长碳纳米管 CMOS 器件。 A : n 型和 P 型器件截面图和栅堆垛层截面图; P 型和 n 型碳管器件的转移曲线以及与硅基 CMOS 器件 (Intel, 14nm, 22nm )的对比。D:碳管器件的本征门延时与 14nm 硅基 CMOS 对比。课题组进一步探索 5nm 栅长(对 应3 纳米技术节点)的碳管晶体管。采用常规结构制备的栅 长为 5 纳米的碳管晶体管容易遭受短沟道效应和源漏直接隧 穿电流影响,即使采用超薄的高 k 栅介质(等效氧化层厚度 0.8纳米),器件也不能有效地关断,SS 一般大于 课题组采用石墨烯作为碳管晶体管的源漏接触,有效地抑制B-C: 100mV/Dec 。

碳纳米管的现状和前景

碳纳米管的现状和前景 信息技术更新日新月异,正如摩尔定律所言,集成电路的集成度每隔18 个月翻一番,即同样的成本下,集成电路的功能翻一倍。这些进步基于晶体管的发展,晶体管的缩小提高了集成电路的性能。 在硅基微电子学发展的过程中,器件的特征尺寸随着集成度的越来越高而日益减小,现在硅器件已经进入深微亚米阶段,也马上触及到硅器件发展的瓶颈,器件将不再遵从传统的运行规律,具有显著的量子效应和统计涨落特性. 为了解决这些问题,人们进行了不懈地努力,寻找新的材料和方法,来提高微电子器件的性能。研究基于碳纳米管的纳电子器件就是其中很有前途的一种方法。 碳纳米管简介 一直以来都认为碳只有两种形态——金刚石和石墨。直至1985年发现了以碳60为代表的富勒烯、从而改变了人类对碳形态的认识。1991年,日本筑波NEC研究室内科学家首次在电子显微镜里观察到有奇特的、由纯碳组成的纳米量级的线状物。此类纤细的分子就是碳纳米管 碳纳米管有许多优异的性能,如超高的反弹性、抗张强度和热稳定性等。被认为将在微型机器人、抗撞击汽车车身和抗震建筑等方面有着极好的应用前景。但是碳纳米管的第一个获得应用的领域是电子学领域、近年来,它已成为微电子技术领域的研究重要方面。 研究工作表明,在数十纳米上下的导线和功能器件可以用碳纳米管来制造,并连接成电子电路。其工作速度将过高于已有的产品而功率损耗却极低! 不少研究组已经成功地用碳纳米管制成了电子器件。例如IBM 的科学家们就用单根半导体碳纳米管和它两端的金属电极做成了场效应管(FETs)。通过是否往第三电极施加电压,可以成为开关,此器件在室温下的工作特性和硅器件非常相似,而导电性却高出许多,消耗功率也小。按理论推算,纳米级的开关的时钟频率可以达到1太赫以上,比现有的处理器要快1000倍。 碳纳米管的分类 石墨烯的碳原子片层一般可以从一层到上百层,根据碳纳米管管壁中碳原子层的数目被分为单壁和多壁碳纳米管。 单壁碳纳米管(SWNT)由单层石墨卷成柱状无缝管而形成是结构完美的单分子材料。SWNT 的直径一般为1-6 nm,最小直径大约为0.5 nm,与C36 分子的直径相当,但SWNT 的直径大于6nm 以后特别不稳定,会发生SWNT 管的塌陷,长度则可达几百纳米到几个微米。因为SWNT 的最小直径与富勒烯分子类似,故也有人称其为巴基管或富勒管。 多壁碳纳米管MWNT可看作由多个不同直径的单壁碳纳米管同轴套构而成。其层数从2~50 不等,层间距为0.34±0.01nm,与石墨层间距(0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为2~30nm 和0.1~50μm。多壁管在开始形成的时候,层与层之间很容易成为陷阱中心而捕获各种缺陷,因而多壁管的管壁上通常

碳纳米管材料结构与性能的研究

碳纳米管材料结构与性能的研究 中文摘要 英文摘要 关键词 绪论 研究背景 碳纳米管是20世纪90年代发现的一种碳材料的一维形式,具有优良的物理化学性能。纳米材料由于其尺寸处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性,展现出独特的电学、光学和机械特性,碳纳米管在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医学科学等领域均具有广阔的应用前景。正是由于碳纳米管这种潜在的价值和广泛的应用前景,使有关碳纳米管材料的研究成为最受关注的研究领域之一。纳米材料这一概念形成以后,世界各国都给予了极大关注,它所具有的独特性质,给物理、化学、材料、生物、医药等领域的研究带来了新的机遇。

碳纳米管材料的分类 碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,因此按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管(或称单层碳纳米管,Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs)和多壁碳纳米管(或多层碳纳米管,Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs)。 碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型:扶手椅形纳米管(armchair form),锯齿形纳米管(zigzag form)和手性纳米管(chiral form)。碳纳米管的手性指数(n,m)与其螺旋度和电学性能等有直接关系,习惯上n>=m。当n=m时,碳纳米管称为扶手椅形纳米管,手性角(螺旋角)为30o;当n>m=0时,碳纳米管称为锯齿形纳米管,手性角(螺旋角)为0o;当n>m≠0时,将其称为手性碳纳米管。根据碳纳米管的导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管:当n-m=3k(k为整数)时,碳纳米管为金属型;当n-m=3k ±1,碳纳米管为半导体型。 按照是否含有管壁缺陷可以分为:完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管。 按照外形的均匀性和整体形态,可分为:直管型,碳纳米管束,Y型,蛇型等。 碳纳米管的制备

碳纳米管的性质与应用

碳纳米管的性质与应用 【摘要】 本文主要介绍了碳纳米管的结构特点,制备方法,特殊性质,由于碳纳米管独特性质而产生的广泛应用,并对其前景进行展望。 【关键词】 碳纳米管场发射复合材料优良性能 【前言】 自日本NEC科学家Lijima发现碳纳米管以来,碳纳米管研究一直是国际新材料领域研究的热点。由于碳纳米管具有特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等,故其在许多领域具有其广阔的应用前景,自问世以来即引起广泛关注。目前,国内外有许多科学家对碳纳米管进行研究,科研成果颇丰,尤其是碳纳米管在复合材料、储氢及催化等领域的应用。 【正文】 一、碳纳米管的结构 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主,同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲,形成空间拓扑结构,其中可形成一定的sp3杂化键,即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态,而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π 键,碳纳米管外表面的大π 键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础[1]。 对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明,不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管,其表面都结合有一定的官能基团,而且不同制备方法获得的碳纳米管由于制备方法各异,后处理过程不同而具有不同的表面结构。一般来讲,单壁碳纳米管具有较高的化学惰性,其表面要纯净一些,而多壁碳纳米管表面要活泼得多,结合有大量的表面基团,如羧基等。以变角X 光电子能谱对碳纳米管的表面检测结果表明,单壁碳纳米管表面具有化学惰性,化学结构比较简单,而且随着碳纳米管管壁层数的增加,缺陷和化学反应性增强,表面化学结构趋向复杂化。内层碳原子的化学结构比较单一,外层碳原子的化学组成比较复杂,而且外层碳原子上往往沉积有大量的无定形碳。由于具有物理结构和化学结构的不均匀性,碳

碳纳米管

碳纳米管“太空天梯” 未来的“太空天梯” 碳纳米管是由石墨分子单层绕同轴缠绕而成或由单层石墨圆筒沿同轴层层套构而成的管状物。其直径一般在一到几十个纳米之间,长度则远大于其直径。1991年,日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时,意外发现了这一特别的分子结构。 碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。作为人类发现的力学性能最好的材料,碳纳米管有着极高的拉伸强度、杨氏模量和断裂伸长率。例如,碳纳米管的单位质量上的拉伸强度是钢铁的276倍,远远超过其他任何材料。 目前碳纳米管的研究现状 自从1991年碳纳米管被正式报道以来,为了提高其长度,全世界的碳纳米管研究者进行了大量艰辛的探索。然而一直到2009年,碳纳米管的最大长度只有18.5厘米,直到目前成功制备出单根长度达到半米以上的碳纳米管。这种有限的长度极大地限制了碳纳米管的实际应用。 碳纳米管的优点。 (1)界面层的存在和界面层厚度的增大均降低

碳纳米管和界面层的应力传递效率随长径比的变化了应力传递效率和纤维的饱和应力, 但同时增大了碳纳米管纤维的有效长度。所以界面层比较明显地承担了应力载荷, 则在碳纳米管复合材料中应该考虑界面层存在和界面层厚度的影响。 (2)碳纳米管的长径比只在较小时影响有效长度和应力传递效率。 长径比所影响的具体范围不同, 对碳纳米管有效长度为小于50 , 而对于应力传递效率则小于10 。 (3)碳纳米管的应力传递效率要远比界面层的应力传递效率大。 在碳纳米管复合材料中虽应要考虑界面层的影响, 但应力载荷的最主要承担者仍是碳纳米管纤维。对碳纳米管复合材料的应力场、纤维的饱和应力和应力传递效率以及有效长度的分析, 为碳纳米管复合材料力学性能的分析、结构优化和功能化设计以及寿命预测等做好必要的准备。 碳纳米管的缺点 (1)如何实现高质量碳纳米管的连续批量工业化生产。 碳纳米管的制备现状大致是:MWNTs能较大量生产,SWNTs多数处于实验室研制阶段,某些制备方法得到的碳纳米管生长机理还不明确,对碳纳米管的结构(管径、管长、螺旋度、壁厚等)还不能做到任意调节和控制,影响碳纳米管的产量、质量及产率的因素太多。 (2)有限的长度极大地限制了碳纳米管的实际应用。 提高了碳纳米管的长度,唯一的途径就是尽可能地提高其催化剂活性概率。对于碳纳米管的生长而言,在其生长过程中催化剂失活从而使其停止生长是一个不可逆转的规律,从而造成了超长碳纳米管很难达到很长的长度,并且也使其单位宽度上的生长密度急剧下降。 (3) 对人体的毒害作用 碳纳米管对人体存在一定的毒性作用,目前研究主要集中在肺脏毒性和细胞毒性,表现为可引起肺脏炎症、肉芽肿和细胞凋亡、活力下降、细胞周期改变等。其毒力大小与碳纳米管的特性有关,如结构、长度、表面积、制备方法、浓度、

碳纳米管的研究及展望

碳纳米管的研究及展望 (1) 碳纳米管的研究及展望 碳纳米管(CNTS)[1]作为一种一维纳米材料,重量较轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能[2]。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级,管子两端基本上都封口)的一维量子材料。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34纳米,直径一般为2~20纳米。并根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分为锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性,而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。 碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,因此如果按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管(或称单层碳纳米管)和多壁碳纳米管(或多层碳纳米管),多壁管在形成的时候,层与层之间易成为陷阱中心而捕获各种缺陷,因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷[3]。与多壁管相比,单壁管直径大小的分布范围小,缺陷少,具有更高的均匀一致性。单壁管典型直径在0.6-2纳米,多壁管最内层可达0.4纳米,最粗可达数百纳米,但典型管径为2-100纳米[4]。 一碳纳米管的性能 碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构,具有优异的物理化学性能。一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点;较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性;直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性;独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。此外,碳纳米管还具有独特的光学性能,良好的热传导性,极高的耐酸、碱性和热稳定性[5]。 碳纳米管的物理性质 1、高的机械强度和弹性。 2、强度≥100倍的钢,密度≤1/6倍的钢 3、优良的导体和半导体特性(量子限域所致) 4、高的比表面积 5、强的吸附性能 6、优良的光学特性 7、发光强度随发射电流的增大而增强。 二碳纳米管的应用前景 由于碳纳米管独特的结构,使其具有很好的电学性能和力学性能,因此,被广泛应用于研制碳纳米管基电子器件、碳纳米管的纳米复合材料、表面强化等领域[6]。 1电学应用领域 由于碳纳米管具有很好的电学性能,特别是经高温退火处理消除部分缺陷后的碳

德国碳纳米管及石墨烯的发展概况

德国碳纳米管及石墨烯的发展概况 碳纳米管和石墨烯是世界材料行业飞速发展的产物,因为它们代表着更高的性能,更轻的质量,更可靠的环保责任。德国在该领域的研究虽然起步较晚,但随着其后续大量的投入,已经让它成为世界上相关产品研发的领跑者。碳纳米管和石墨的发展前景虽被看好,但高昂的制备成本和较低的产量却严重遏制其大规模应用。 图为:单壁碳纳米管(左),多壁碳纳米管(右) 随着行业对于材料性能的要求越来越高,传统材料的发展占空间逐渐走向萎缩,而高新科技材料将会取而代之成为行业选择的未来之路。众所周知,碳纳米管(CNTs)和石墨烯(graphene)及其复合材料因其卓越的电气及机械特性,已经在诸多领域,如光电,传感器,半导体器件,显示器,指挥,智能

纺织品和能量转换装置(例如,燃料电池,收割机和电池)等,显示出巨大的应用潜能。 从化学结构看,碳纳米管(CNTs)可以用作有机或无机半导体的替代物,但高昂的成本是目前限制其广泛用的最大难题。然而,碳纳米管作为一种新型材料有望在不久的将来实现成本低廉化大规模生产。 在电子学应用领域(电磁屏蔽除外),碳纳米管最大的用途是导体。它不仅具有高电导率,其材料还能呈现透明状,使用起来非常灵活便于拉伸。因此可以取代ITO,用于制作显示器,触摸屏,光电与显示母线和其他产品。经实验证明,碳纳米管的迁移率高于硅,这就意味着碳纳米管可以用于制造快速转换晶体管。此外,碳纳米管能够用于制备高性能的大面积加工设备,如印刷设备,从而帮助提高生产工艺,并显著降低生产成本。碳纳米管还适用于制造超级电容器,其原理是通过利用电容和晶体管的功率密度来平衡电池的能量密度,从而达到弥合电池和电容器的差距的目的。 从目前发展程度来看,碳纳米管的最大挑战是材料纯度,设备制造,以及对其他设备材料(如适当的电介质)的需要。但毋庸置疑的是其无法超越的性能优点(比如高性能,灵活

碳纳米管

碳纳米管,又名巴基管,是一种具有特殊结构(径向尺寸为纳米量级,轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口)的一维量子材料。它主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34nm,直径一般为2~20nm。碳纳米管不总是笔直的,而是局部区域出现凸凹现象,这是由于在六边形编织过程中出现了五边形和七边形。除六边形外,五边形和七边形在碳纳米管中也扮演重要角色。根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分成锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性,而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。碳纳米管作为一维纳米材料,重量轻,六边形结构连接完美,具有许多异常的力学、电学和化学性能。 快速导航 微信文章图册集锦知乎精选 分享 基本信息 中文名:碳纳米管 危险性描述:该产品并没有爆炸的危险 别称:巴基管 熔点:预计3652-3697℃ 密度:在20°C时2.1克/立方厘米 相容性溶解度:有 外观:粉末 闪点:不适用 蒸汽压力:未确定 升华温度:未确定 分解温度:未确定 点火温度:未确定 沸点:未确定 颜色:黑色 气味:无味

历史由来 碳纳米管 1985 年,“足球”结构的C60一经发现即吸引了全世界的目光,Kroto H. W.、Smalley R. E.、和Curl R. F.亦因共同发现C60并确认和证实其结构而获得1996 年诺贝尔化学奖。在富勒烯研究推动下,1991 年一种更加奇特的碳结构——碳纳米管被日本电子公司(NEC)的饭岛博士发现。 碳纳米管在1991 年被正式认识并命名之前,已经在一些研究中发现并制造出来,只是当时还没有认识到它是一种新的重要的碳的形态。1890 年人们就发现含碳气体在热的表面上能分解形成丝状碳。1953 年在CO 和Fe3O4在高温反应时,也曾发现过类似碳纳米管的丝状结构。从20 世纪50 年代开始,石油化工厂和冷核反应堆的积炭问题,也就是碳丝堆积的问题,逐步引起重视,为了抑制其生长,开展了不少有关其生长机理的研究。这些用有机物催化热解的办法得到的碳丝中已经发现有类似碳纳米管的结构。在20 世纪70 年代末,新西兰科学家发现在两个石墨电极间通电产生电火花时,电极表面生成小纤维簇,进行了电子衍射测定发现其壁是由类石墨排列的碳组成,实际上已经观察到多壁碳纳米管。 目录 摘要 基本信息 历史由来 结构特征 分类介绍 性质介绍 制备信息 健康影响 应用前景 发展历史 潜在风险 图册集锦 微信文章 知乎精选 新闻动态 结构特征 碳纳米管 碳纳米管中碳原子以sp2杂化为主,同时六角型网格结构存在一定程度的弯曲,形成空间拓扑结构,其中可形成一定的sp3杂化键,即形成的化学键同时具有sp2和sp3混合杂化状态,而这些p 轨道彼此交叠在碳纳米管石墨烯片层外形成高度离域化的大π 键,碳纳米管外表面的大π 键是碳纳米管与一些具有共轭性能的大分子以非共价键复合的化学基础。 对多壁碳纳米管的光电子能谱研究结果表明,不论单壁碳纳米管还是多壁碳纳米管,其表面

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