单壁碳纳米管综述
单壁碳纳米管综述经典课件
•超级力学性能（钢的100倍）
•极强的吸附性能 优异的储氢特性
•更适于研究和理解碳管电子结构和输运现象
4 制备方法
（一）石墨电弧法 （二）激光蒸发法 （三）化学气相沉积法
（一）石墨电弧法
石墨电弧法又称直流电弧法，电弧是一种气体放电的现象。
基本原理： 电弧室充惰性气体保
护，两石墨棒电极靠近， 拉起电弧，再拉开，以保 持电弧稳定。放电过程中 阳极温度相对阴极较高， 所以阳极石墨棒不断被消 耗，同时在石墨阴极上沉 积出含有碳纳米管的产物。
常用气体：
甲烷、一氧化碳、苯等
催化剂：
Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物
优点：相对于电弧法和激光蒸发法而言,化学气相沉 积法因具有合成温度较低 产量高、 纳米碳管的直 径及螺旋性易控制等优点而逐渐成为合成纳米碳管 的一种主要方法。
缺点：产率较低且反应气体不能重复使用
制备方法总结
制备的主要目标：（1）连续批量生产；（2）结构分布 均匀且可控；（3）成本低，纯度高;
单壁碳纳米管 综述
主讲内容
1
什么是纳米材料
2
纳米材料的特性
3
单壁碳纳米管的概述
4
制备方法
5
应用
6
前景
7
结语
1.纳米材料
定义： 结构单元的尺寸在1纳米至100纳米范围之间的材料，其中 1nm=10-9m 纳米材料大致可分为四类：
纳 米
纳 米
粉
纤
末
维
纳 米 膜
纳 米 块 体
3
纳米材料的特性
量子尺寸效应
性能展示出了它在各个领域的潜在价值。诺贝尔奖获得者的C60发现者之一 R.E.Smalley称：“碳纳米管将是价格便宜，环境友好并为人类创造奇迹的新 材料。”
碳纳米管简介
加强基础研究和创新能力
深入研究结构与性能关系
进一步揭示碳纳米管的微观结构和性 能之间的关联，为新应用提供理论支 持。
探索新的合成方法
加强跨学科合作
与化学、物理、生物等学科进行交叉 合作，拓展碳纳米管的应用领域。
开展新合成方法的研究，实现碳纳米 管的绿色合成和可控合成。
建立产业联盟和创新平台
促进产学研合作
导电材料
碳纳米管具有优异的导电性能，可作为复合材料的导电填料，提高材料的导电性能。
半导体领域
晶体管
碳纳米管具有优异的半导体性能，可 用于制造高性能晶体管，提高集成电 路的性能和集成度。
传感器
碳纳米管具有较高的化学敏感性和光 电响应性，可用于制造高性能传感器 ，用于环境监测、生物医学等领域。
纳米电子领域
碳纳米管的应用领域
电池领域
电池电极材料
碳纳米管具有优异的导电性能和比表 面积，可作为高性能电池电极材料， 提高电池的能量密度和充放电效率。
电池隔膜材料
碳纳米管具有较高的机械强度和化学 稳定性，可用于制造高性能电池隔膜 ，提高电池的安全性和稳定性。
复合材料领域
增强材料
碳纳米管具有优异的力学性能和化学稳定性，可作为复合材料的增强剂，提高材料的强度和韧性。
化学反应性
碳纳米管具有较高的化学反应性，可以在高温下与多种氧化剂反应，也可以在催化剂的作 用下进行加氢反应。此外，碳纳米管还可以通过表面修饰改性来提高其化学反应性和相容 性。
表面基团
碳纳米管的表面可以含有多种基团，如羧基、羟基、羰基和环氧基等。这些基团的存在会 影响碳纳米管的化学反应性和相容性。
稳定性
碳纳米管简介
汇报人： 2023-12-15
单壁管碳纳米管
单壁管碳纳米管
碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)又名巴基管，是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝碳纳米管。
按碳原子层数可分为单壁和多壁碳纳米管，其制备方法主要有电弧放电法、催化裂解法、激光蒸发法、化学气相沉积法，其中裂化催解法是目前应用最广泛的方法。
碳纳米管具有优异的力学、电学和热学性能，已应用于电子、材料、航空、催化、医疗等领域。
单壁碳纳米管直径在0.6-2nm之间，最小的直径可达到0.4nm左右，其独特的结构，使其具备了超强的力学性能、极高的载流子迁移率、可调节的带隙、优异的热学性能、光电特性、稳定的化学特性等。
碳纳米管集各种优异性质于一身，使其在工程材料、电子器件、储能领域、光探测器、生物医药等方面具备了广阔前景。
半导体型单壁碳纳米管
半导体型单壁碳纳米管1.引言1.1 概述半导体型单壁碳纳米管是一种具有非常重要应用潜力的纳米材料。
它们在近年来的研究中受到了广泛关注，因为其独特的结构和优异的性能使其成为下一代纳米电子器件中的主要候选材料之一。
概括地说，单壁碳纳米管是由一个或多个层次的碳原子组成的圆柱状结构。
与传统的半导体材料相比，主要有两个显著的特点使得单壁碳纳米管在纳米电子器件中具有巨大的潜在价值。
首先，单壁碳纳米管具有优异的电学性能。
由于其特殊的碳原子排列方式，单壁碳纳米管可以表现出半导体的特性，即在一定条件下可以具有可控的电导率。
这使得单壁碳纳米管成为制备高性能晶体管和其他电子器件的理想材料，具有巨大的应用潜力。
其次，单壁碳纳米管的尺寸小，具有优异的机械性能和化学稳定性。
这使得它们在纳米电子器件中的应用非常有利。
单壁碳纳米管可以作为纳米电路中的导线、晶体管中的通道或材料中的增强剂，提供更小尺寸、更高性能和更低功耗的电子器件。
本文将详细介绍半导体型单壁碳纳米管的定义、特点、制备方法和技术。
同时，将探讨半导体型单壁碳纳米管在电子器件中的应用前景，并提出未来发展方向和挑战。
通过对这些内容的深入分析和讨论，我们可以更好地了解并推动这一领域的发展。
1.2文章结构文章结构部分的内容可以包括以下几点:1.2 文章结构本文将按照以下结构来探讨半导体型单壁碳纳米管的相关内容：第二节将详细介绍半导体型单壁碳纳米管的定义和特点。
我们将阐述什么是半导体型单壁碳纳米管，以及其在电子器件中的重要性。
此外，我们还将介绍半导体型单壁碳纳米管与其他类型碳纳米管的区别和优势。
第三节将重点讨论半导体型单壁碳纳米管的制备方法和技术。
我们将介绍目前主流的制备方法，如化学气相沉积法、物理气相沉积法等，并分析它们的优缺点。
此外，我们还将讨论最新的制备技术和研究进展，以及可能的应用领域。
在结论部分，第四节将探讨半导体型单壁碳纳米管在电子器件中的应用前景。
我们将详细介绍其在场效应晶体管、逻辑门电路、传感器等领域的应用，并分析其优势和挑战。
单壁碳纳米管制备方法综述
单壁碳纳米管制备方法综述
单壁碳纳米管（SWCNTs）由于其独特的电学、力学和光学性质，在纳米电子学、催化、传感器等领域具有广泛的应用前景。
目前，SWCNTs 的制备方法主要包括以下几种：
1. 电弧放电法：该方法通过电弧放电在催化剂表面生成碳纳米管。
它的优点是产量高，但缺点是难以控制管的直径和长度。
2. 化学气相沉积法（CVD）：CVD 法是在催化剂的作用下，通过有机气体的分解和沉积来制备碳纳米管。
该方法可以实现对碳纳米管直径和长度的控制，但产量较低。
3. 激光烧蚀法：利用激光烧蚀含碳靶材，在催化剂上沉积形成碳纳米管。
该方法适用于制备高纯度的碳纳米管，但设备要求较高。
4. 固相热解法：将含有碳和催化剂的前驱体在高温下热解，使碳源在催化剂的作用下生成碳纳米管。
该方法操作简单，但产物纯度较低。
各种制备方法都有其优缺点，需要根据具体的应用需求选择合适的方法。
未来的研究将集中在提高制备效率、控制产物结构以及降低成本等方面。
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。
单壁碳纳米管
1．单壁碳纳米管（SWCNs）
单壁碳纳米管（SWCNs），由于其特有的机械学、电学及化学性质，从一出现就吸引了众多的纳米材料科学家的目光。
在结构上，它可看作是由单层的石墨片卷成的具有纳米尺度直径的微小圆管。
在力学上，它具有100 倍的钢铁的比强度。
因而已被设想未来作为去太空旅游使用的提升缆绳。
在电学上，它具有金属或半导体那样的电导特性。
由此可衍生出大量的微电子学器件。
在化学上，能以其外表面作为化学合成的基质，催化合成许多的超分子化合物；也能以其管腔为基础合成多种单晶纳米线。
然而，近几年SWCNs 在储氢材料方面的应用研究已是异军突起，独树一帜。
氢能源是各国未来能源战略的重点。
最近，Nikitin 和Li 等的研究，已经将SWCNs 的重量比储氢容量提高到超过7%。
这一成果已经为氢燃料汽车走向实用而打下了坚实的理论研究的基础。
本文简介了单壁碳纳米管储氢材料的研究进展。
它可通过物理和化学两种吸附方式储氢。
物理吸附虽然在液氮温度下较为明显，但
在室温下无多大意义。
理论上计算的化学吸附的贡献最高能达到7.7%的质量比储氢容量。
对于好的储氢材料，储氢的可逆性和稳定性是至关重要的。
若吸附氢后SWCNs 的稳定性过低，其结构将遭到破坏。
若稳定性过高，将不利于可逆地释放氢。
Nikitin 和Li 等的研究已经将SWCNs 的质量比储氢容量提高到了7%以上，这几乎是目前质量比储氢容量最高的合金储氢材料Mg2NiH4的两倍。
随着纳米时代的到来，以SWCNs 为储氢材料的氢能发动机汽车代替传统汽车的时代已经离我们越来越近了。
单壁碳纳米管缩写
单壁碳纳米管缩写
单壁碳纳米管（SWCNT）是一种由碳原子构成的纳米材料，具有非常独特的物理和化学性质。
SWCNT由一个单层碳原子薄膜卷曲而成，形成了一个中空的圆柱形结构。
这种结构使得SWCNT具有许多独特的性质和应用潜力。
SWCNT具有非常高的机械强度和弹性，使其成为一种理想的材料用于制备高强度纤维和复合材料。
它的强度比钢高几倍，而重量却非常轻，这使得SWCNT在航空航天和汽车制造等领域具有广阔的应用前景。
此外，SWCNT还具有优异的导电性能，使其成为高性能传感器和电子器件的理想材料。
SWCNT还具有优异的热导性能。
研究表明，SWCNT的热导率比铜高几倍，使其成为一种理想的热界面材料。
在微电子领域，SWCNT 被广泛应用于制备高效的散热器和热传导材料，可以有效地提高芯片的散热效果，提高设备的工作效率和可靠性。
SWCNT还具有非常好的光学性能。
由于其独特的结构和能带结构，SWCNT具有可调控的光学特性，可以用于制备高性能的光电器件和光学传感器。
例如，利用SWCNT的特殊吸收光谱，可以制备出高效的太阳能电池和光电探测器。
SWCNT还具有一些其他特殊的性质和潜在应用。
例如，SWCNT在生物医学领域有广泛的应用前景，可以用于制备高灵敏度的生物传
感器和药物载体。
此外，SWCNT还具有良好的化学稳定性和生物相容性，可以用于制备高性能的催化剂和药物递送系统。
SWCNT作为一种新型纳米材料，具有许多独特的性质和广泛的应用潜力。
随着对SWCNT的深入研究和理解，相信它将在各个领域发挥重要作用，为人类的生活和科技进步带来新的突破。
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电弧法装置图
在阴极上 沉积出碳 纳米管
He气
阴极 阳极
1mm 石墨电弧法装置结构示意图 阳极石墨 蒸发
· 氦气为载气，气压 50—60Pa， · 电流60A～100A，电压19V～25 V， · 电极间距1 mm～4mm，产率50％。
优点：
设备比较简单，产量大，制得的SWNTs管直，结晶度高。
纳 米 粉 末
纳 米 纤 维
纳 米 膜
纳 米 块 体
3
纳米材料的特性
量子尺寸效应
体积效应
表面与界面效应
宏观量子隧道效应
纳米材料其纳米粒子出现了许多不同于常规固体的新奇特性，展 示了广阔的应用前景，同时它也为常规的复合材料的研究增添了新的 内容。
碳纳米管的结构
• 碳纳米管是石墨管状晶体
• 是单层或多层石墨片围绕中心按一定
的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管
碳纳米管
① 单壁碳纳米管S) 长径比100～1000，甚至10000，为线状物
图示呈线状物
（1）定义：
碳的同素异形体
由单层石墨片绕中心按一定角度卷曲而
成的无缝、中空纳米管。
单壁碳纳米管 直径为1-6 nm
（2）特 性
·
Single-wall carbon nanotube
主讲人：罗丽红 指导老师：叶晓萍
成员：罗丽红 张映娜 张丽玲 邹巧云 汪强 符朝钦 张崇荣
主讲内容
1 什么是纳米材料 纳米材料的特性 单壁碳纳米管的概述 制备方法 应用 前景 结语
2
3 4 5 6 7
1.纳米材料
定义： 结构单元的尺寸在1纳米至100纳米范围之间的材料，其中 1nm=10-9m 纳米材料大致可分为四类：
另外，碳纳米管对人体存在一定的毒性作用。
单壁纳米碳管作为纳米材料和碳分子的一个新成员， 以其独特的物理和化学性质受到人们日益广泛的关注。人 们正在努力探索新方法制备它，以获得高纯度、产量大、 管径均匀、缺陷少、操作方便且成本低廉的单壁碳纳米管， 来拓宽应用领域。尽管它本身存在一些缺点但仍具有非常 光明的前景，随着单壁碳纳米管合成技术和提纯技术的日 益成熟，大批量合成单壁碳纳米管己成为可能，单壁碳纳 米管以特有的结构和不断扩展的应用领域 , 必将开辟纳米 材料研究新天地。
有待优化的关键因素：（1）碳源；（2）催化剂及载体； （3）制备条件; 符合实际生产、能大批量制备的方法是石墨电弧法和化 学气相沉积法。
5 应用
储氢材料
电子领域
高强度复合材料领域
生物医学领域
储氢材料 超级电容器
军事方面的复合材料
生物传感器
6 碳纳米管的发展前景两面看
优点：作为当今材料科学领域的明星材料之一，SWNTs以独特的结构及
缺点： 电弧温度高达3000~3700 °C时, SWNTs被烧结在一起，造成较多的缺陷。 产物中含有较多杂质(如催化剂、无定形炭等)，需进一步系统提纯，电弧的 放电过程较难控制，成本较高。
烧结在一起的SWNTS
高度纯化的SWNTS
（二）激光蒸发法
激光蒸发法是将一根金属催化剂、石墨混合的石墨靶放置于 一长形石英管中间，该管则置于一加热炉内。当炉温升至 1200℃时，将惰性气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨 靶上。石墨靶在激光照射下将生成气态碳，气态碳和催化剂 离子被气流从高温区带向低温区，在催化剂的作用下生长成 单壁碳纳米管。 装置图如下：
谢谢
谢谢
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图1 激光蒸发法装置图
影响因素： 催化剂 保护压强（3.0x104一 4.5 x 104 Pa） 气体（氦气、氩气） 激光脉冲时间间隔 （间隔越短，产率越高）
激光脉冲功率（功率 ↑，直径↓）
激光蒸发法制备工艺流程
激光蒸发法制备单壁纳米碳管的优点是产物纯度高， 易于提纯。
不足之处在于设备复杂、昂贵，而且产量不大。
1催化剂 2管式炉 3石英 4热电偶 5气体混合 6温度控制
气相沉积法装置图
优点：相对于电弧法和激光蒸发法而言,化学气相沉 积法因具有合成温度较低 产量高、 纳米碳管的直 径及螺旋性易控制等优点而逐渐成为合成纳米碳管 的一种主要方法。 缺点：产率较低且反应气体不能重复使用
制备方法总结
制备的主要目标：（1）连续批量生产；（2）结构分布 均匀且可控；（3）成本低，纯度高;
性能展示出了它在各个领域的潜在价值。诺贝尔奖获得者的C60发现者之一 R.E.Smalley称：“碳纳米管将是价格便宜，环境友好并为人类创造奇迹的新 材料。”
缺点：存在几个问题有待解决，：一是，如何实现高质量碳纳米管的连续批量工
业化生产。二是，如何更深入研究碳纳米管实际应用问题。例如，在常温常压下如 何解析氢气及加快其储氢放氢速度。
•更为典型的一维结构
•无层间交互作用
•超级力学性能（钢的100倍） •极强的吸附性能 优异的储氢特性
单壁碳纳米管
•更适于研究和理解碳管电子结构和输运现象
4 制备方法
（一）石墨电弧法
（二）激光蒸发法
（三）化学气相沉积法
（一）石墨电弧法
石墨电弧法又称直流电弧法，电弧是一种气体放电的现象。 基本原理： 电弧室充惰性气体保 护，两石墨棒电极靠近， 拉起电弧，再拉开，以保 持电弧稳定。放电过程中 阳极温度相对阴极较高， 所以阳极石墨棒不断被消 耗，同时在石墨阴极上沉 积出含有碳纳米管的产物。
（三）化学气相沉积法
化学气相沉积法主要机理：是使含有碳源的气体(如乙炔乙 烯等石油气)流经金属催化 剂(如铁、钻、镍等)表面时分解， 从而产生出碳纳米管。
特点：
设备简单、条件易控、能大规模制备、可直接生长在 合适的基底上
常用气体：
甲烷、一氧化碳、苯等
催化剂：
Fe、Co、Ni、Mo等以及它们的氧化物