4 碳纳米材料-碳纳米管和石墨烯
碳纳米管和石墨烯简介
碳纳米管的应用
纳米金属催化剂 载体,利用碳纳米管的 高比表面及良好的吸 氢能力，成功制备了 负载 Pt纳米粒子的高 效加 氢催化剂。
碳纳米管的应用
无碳纳米管（左）和有碳纳米管（右） 情况下的大肠杆菌对比照片 一项最新研究表明，单壁碳纳米管能够严重破坏大 肠杆菌等细菌的细胞壁，从而将其杀灭。将有助于解 决细菌抗药性这一日益突现的问题。
石墨烯的应用
超级电容器：
超级电容器是一个高效储存和传递 能量的体系，它具有功率密度大，容量 大，使用寿命长，经济环保等优点，被 广泛应用于各种电源供应场所。石墨烯 拥有高的比表面积和高的电导率，不像 多孑L碳材料电极要依赖孔的分布，这使 它成为最有潜力的电极材料。以石墨烯 为电极材料制备的超级电容器功率密度 为10kW／kg，能量密度为28．5Wh ／kg，最大比电容为205F／g，而且 经过1200次循环充放电测试后还保留 90％的比电容，拥有较长的循环寿命。 石墨烯在超级电容器方面的潜在应用受 到更多的研究者关注。
A brief introduction of
应化0902
张一恒
碳纳米管
碳纳米管是在1991年1月由日本筑波NEC实验室 的物理学家饭岛澄男使用高分辨率分析电镜从电弧法生产 的碳纤维中发现的。它是一种管状的碳分子，管上每个碳 原子采取SP2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成 由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳 原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳 纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁 碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有 纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽， 碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数 百微米。 碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现 象，这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出 现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。 如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管 的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。
碳纳米管;石墨烯;及碳纳米管-石墨烯复合材料
目录摘要 (I)Abstract ............................................................................................................................................. I I 1 石墨烯. (1)1.1 石墨烯简介 (1)1.2 石墨烯的结构和性质 (2)1.2.1 石墨烯的结构 (2)1.2.2 石墨烯的性质 (4)1.3 石墨烯的表征 (5)1.4 石墨烯的主要制备方法 (6)2 碳纳米管 (8)2.1 碳纳米管的发现及发展历程 (8)2.2 碳纳米管的结构和分类 (9)2.2.1碳纳米管的结构 (9)2.2.2碳纳米管的分类 (11)2.3 碳纳米管的生长机理 (12)2.3.1 顶部生长机理 (12)2.3.2 底部生长机理 (13)2.4 碳纳米管的性能 (14)2.4.1 碳纳米管的力学性能 (14)2.4.2 热学性能 (14)2.4.3 碳纳米管的电学性能 (15)2.4.4 光学性能 (16)2.5碳纳米管的制备 (16)2.5.1 电弧放电法 (16)2.5.2 激光蒸发法 (17)2.5.3 化学气相沉积法 (18)2.6.碳纳米管的预处理 (19)2.6.1 碳纳米管的纯化 (19)2.6.2 碳纳米管的分散 (19)2.6.3碳纳米管的活化 (20)2.7碳纳米管的应用 (20)2.7.1 在电磁学与器件方面 (20)2.7.2 在信息科学方面 (21)2.7.3 储氢方面 (21)2.7.4 制造纳米材料方面 (21)2.7.5 催化方面 (22)2.8 存在问题及发展方向 (22)3碳纳米管/石墨烯复合材料 (22)3.1 从碳纳米管、石墨稀到碳纳米管/石墨稀复合材料发展历程 (22)3.2 碳纳米管/石墨烯复合材料结构 (23)3.3碳纳米管/石墨稀复合材料的制备 (24)3.3.1电化学序列自组装沉积法 (24)3.3.2 CVD法 (25)3.4 碳纳米管/石墨烯复合材料研究进展 (25)4结论 (28)5 参考文献 (28)摘要自从2004年发现石墨烯以来，由于其和二维结构相关的优异性能，石墨烯很快就成为材料科学和凝聚态物理研究的热点课题。
碳材料领域专家盘点(石墨烯及碳纳米材料)
究员，博士生导师 主要从事新型强润一体化以及耐磨蚀 薄膜材料及其航空航天和船舶领域应用研究工作。
前不久碳材料领域专家盘点（石墨烯及碳纳米材料）本文为大家主要盘点石墨烯及碳纳米材料领域的部分 专家， 供大家参考， 排名不分先后， 如有遗漏欢迎补充指正。
Andre Geim 石墨烯发现者、 2010 年诺贝尔奖获得者、 欧学院院士、北京大学化学与分子工程学院教授、北京石墨烯以及电化学研究。
发展了纳米碳材料的化学气相沉积生长方 法学，建立了精确调控碳纳米管、石墨烯等碳材料结构的系 列生长方法，发明了碳基催化剂、二元合金催化剂等新型生长催化剂，提出了新的碳纳米管 “气 -固”生长模型等。
斌 香港中文大学电子工程系教授，材料科学与技术研究及光电子材料与器件探讨；纳米技术在固态电子材料和器件其所在团队成功突破石墨烯改性防腐涂料研发及应用的技盟石墨烯旗舰计划战略委员会主任。
刘忠范 中国科研究院院长主要从事低维材料与纳米器件、分子自组装兆平中科院宁波材料所高级研究员，博士生导师要从事石墨烯和动力锂离子电池及其材料技术等。
许建中心主任主要从事石墨烯及新型二维固态半导体电子中的应用（如扫描探针显微术和近场显微术， 纳米材料和器件构筑与表征）等。
王立平中科院宁波材料所研术瓶颈，开发出拥有自主知识产权的新型石墨烯改性重防腐主要研究方向有三维碳烯的拓扑 Node-Line 物性；结构与高压相变；表面吸附与重构；金属的高温非谐效子晶体材料的制备、物性与应用：高质量石墨烯及其宏观体 材料的 CVD 控制制备； 高品质石墨烯的化学法规模化制备； 石墨烯在锂离子电池和超级电容器方面的应用；石墨烯在柔性光电器件和储能器件方面的应用探索；石墨烯在热管理、法（CVD ）生长石墨烯薄膜与其它二维原子层材料、石墨烯/高分子复合材料、 三维石墨烯结构、 以及在热管理、 传感器、材料研究，合成水溶和油溶可加工石墨烯研究，基于石墨烯 的二维纳米能源材料和电子器件研究，基于石墨烯电极材料 在太阳能电池和场效应晶体管器件的应用研究，可控纳米结 构功能碳材料、 有机 /无机杂化材料的设计合成及其在能源储存和转化的应用研究（主要基于超级电容器，锂离子电池，涂料等。
碳纳米材料概述
碳纳米材料概述名字：唐海学号：1020560120前言纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm的碳材料。
分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。
纳米碳材料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳球。
近年来，碳纳米技术的研究相当活跃，多种多样的纳米碳结晶、针状、棒状、桶状等层出不穷。
2000年德国和美国科学家还制备出由20个碳原子组成的空心笼状分子。
根据理论推算，包含20个碳原子仅是由正五边形构成的，C60分子是富勒烯式结构分子中最小的一种，考虑到原于间结合的角度、力度等问题，人们一直认为这类分子很不稳定，难以存在。
德、美科学家制出了C60笼状分子为材料学领域解决了一个重要的研究课题。
碳纳米材料中纳米碳纤维、纳米碳管等新型碳材料具有许多优异的物理和化学特性，被广泛地应用于诸多领域。
分类(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、多壁碳纳米管和双壁碳纳米管。
(2)碳纤维分为丙烯腈碳纤维和沥青碳纤维两种。
碳纤维质轻于铝而强力高于钢，它的比重是铁的1／4，强力是铁的10倍，除了有高超的强力外，其化学性能非常稳定，耐腐蚀性高，同时耐高温和低温、耐辐射、消臭。
碳纤维可以使用在各种不同的领域，由于制造成本高，大量用于航空器材、运动器械、建筑工程的结构材料。
美国伊利诺伊大学发明了一种廉价碳纤维，有高强力的韧性，同时有很强劲的吸附能力、能过滤有毒的气体和有害的生物，可用于制造防毒衣、面罩、手套和防护性服装等。
(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)未完全石墨化的纳米碳球，直径在50nm一1μm之间；(3)碳微珠，直径在11μm以上。
另外，根据碳球的结构形貌可分为空心碳球、实心硬碳球、多孔碳球、核壳结构碳球和胶状碳球等。
碳纳米材料
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碳纳米管的应用潜力
高性能纤维、复合材料 高导电、高导热纤维/复合材料 抗冲击防护材料 电磁屏蔽 锂电/超电容储能和电极材料 吸附和过滤材料 用于：航空航天、军工、能源、环境、机械、电子、生活
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石墨烯
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20世纪70年代，Clar等利用化学方法合 成一系列具 有大共轭体系的化合物，即 石墨烯片。
Schmidt等科学家对其方法进行改进，合 成了许多含不同边缘修饰基团的石墨烯 衍生物，但这种方法不能得到较大平面 结构的石墨烯。
2004年，Geim等以石墨烯为原料，通过
微机械力剥离法得到一系列叫作二维原
子晶体的新材料——“石墨烯
（graphene）”
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石墨烯中各个碳原子之间的连接十分柔韧，当对其施加 外部机械力时，碳原子面就会弯曲变形，从而使碳原子 不必重新排列来适应这个外力，就保持了该材料结构的 稳定性。
同时，这种稳定的晶体结构也使石墨烯具有优秀的导电 性，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷 或引入外来原子而发生散射。
石墨烯因具有高的比表面积、突出的导热性能和力学性 能及其非凡的电子传递性能等一系列优异的性质。
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石墨烯独特的性能与其电子能带结构紧密相关。石墨烯 电子能带结构以独立碳原子为基，将周围碳原子产生的 势作为微扰，可以用矩阵的方法计算出石墨烯的能级分 布。在狄拉克点附近展开，可得能量与波矢呈线性关系 （类似于光子的色散关系），且在狄拉克点出现。这意 味着在费米面附近，石墨烯中电子的有效质量为零，这 也解释了该材料独特的电学等性质。
碳纳米材料
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碳纳米简介
碳纳米材料的含义：
纳米碳材料是指分散相尺度至少有一维小于100nm 的碳材料。分散相既可以由碳原子组成，也可以由异种 原子（非碳原子）组成，甚至可以是纳米孔。纳米碳材 料主要包括三种类型：碳纳米管，碳纳米纤维，纳米碳 球。
纳米材料—石墨烯、碳纳米管
纳米材料—石墨烯/碳纳米管1. 前言由于碳单质和化合物组成的多样性，碳及其化合物一直是材料、物理和化学领域的研究重点之一。
特别近三十年来，随着C60、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(Graphene)等明星材料的相续发现，逐次将碳材料的研究推向高潮。
碳纳米管(CNT)和石墨烯(Graphene)分别在1991年和2004年被人们所发现。
碳纳米管是一种具有特殊结构的一维量子材料，它的径向尺寸可达到纳米级，轴向尺寸为微米级，管的两端一般都封口，因此它有很大的强度，同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。
石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的六角型呈蜂巢晶格的平面薄膜，只有一个碳原子厚度的二维碳材料。
零维富勒烯、一维碳纳米管、二维石墨烯共同组成了骨干的碳纳米材料家族，并且它们之间可以在形式上转化（图1）。
图1 石墨烯及各种石墨形体石墨烯和碳纳米管在电学和力学等方面有着相似的性质，但由于结构不同，它们也有很多不同之处。
碳纳米管和石墨烯分别是优良的一维和二维碳材料，它们分别体现出了一维的和二维的各向异性，如导电性、力学性能和导热性等。
为了结合两者的优点，人们将石墨烯和碳纳米管共同用于复合材料。
石墨烯和碳纳米管复合材料形成三维网状结构，通过它们之间的协同效应，使其表现出比任意一种单一材料更加优异的性能，例如更好的各向同性导热性、各向同性导电性、三维空间微孔网络等特性。
基于以上性质，使得石墨烯/碳纳米管复合材料在超级电容器、太阳能电池、显示器、生物检测、燃料电池等方面有着良好的应用前景。
此外，掺杂一些改性剂的石墨烯/碳纳米管复合材料也受到人们的广泛关注，例如在石墨烯/碳纳米管复合电极上添加CdTe量子点制作光电开关、掺杂金属颗粒制作场致发射装置。
由此可见，石墨烯/碳纳米管复合材料越来越多的被人们所应用，也使得石墨烯/碳纳米管复合材料的制备和应用得到更加广泛的关注。
2. 石墨烯/碳纳米管复合材料的制备方法2.1 化学气相沉积法（CVD）CVD法因易于控制膜的组成及成份分散度而被广泛应用于制备石墨烯/碳纳米管复合膜。
碳纳米材料综述
碳纳米材料综述课程：纳米材料日期：2015 年12 月碳纳米材料综述摘要：纳米材料是一种处于纳米量级的新一代材料，具有多种奇异的特性，展现特异的光、电、磁、热、力学、机械等物理化学性能，这使得纳米技术迅速地渗透到各个研究领域，引起了国内外众多的物理学家、化学家和材料学家的广泛关注，也成为当前世界最热门的科学研究热点。
物理学家对纳米材料感兴趣是因为它具有独特的电磁性质，化学家是因为它的化学活性以及潜在的应用价值，材料学家所感兴趣的是它的硬度、强度和弹性。
毫无疑问，基于纳米材料的纳米科技必将对当今世界的经济发展和社会进步产生重要的影响。
因此，对纳米材料的科学研究具有非常重要的意义。
其中，碳纳米材料是最热的科学研究材料之一。
我们知道，碳元素是自然界中存在的最重要的元素之一，具有sp、sp2、sp3等多种轨道杂化特性。
因此，以碳为基础的纳米材料是多种多样的，包括常见的石墨和金刚石，还包括近几年比较热门的碳纳米管、碳纳米线、富勒烯和石墨烯等新型碳纳米材料。
关键词：纳米材料碳纳米材料碳纳米管富勒烯石墨烯1．前言从人类认识世界的精度来看，人类的文明发展进程可以划分为模糊时代（工业革命之前）、毫米时代（工业革命到20世纪初）、微米和纳米时代（20世纪40年代开始至今）。
自20世纪80年代初，德国科学家Gleiter提出“纳米晶体材料’，的概念，随后采用人工制备首次获得纳米晶体，并对其各种物性进行系统的研究以来，纳米材料己引起世界各国科技界及产业界的广泛关注。
纳米材料是指特征尺寸在纳米数量级（通常指1—100 nm）的极细颗粒组成的固体材料。
从广义上讲，纳米材料是指三维空间尺寸中至少有一维处于纳米量级的材料。
通常分为零维材料（纳米微粒），一维材料（直径为纳米量级的纤维），二维材料（厚度为纳米量级的薄膜与多层膜），以及基于上述低维材料所构成的固体。
从狭义上讲，则主要包括纳米微粒及由它构成的纳米固体（体材料与微粒膜）。
石墨烯与碳纳米管：一样的前生,不一样的今世
石墨烯与碳纳米管：一样的前生，不一样的今世精选|关键词:石墨烯, 碳纳米管2010年10月4日，诺贝尔物理学奖揭晓，获奖者是英国曼彻斯特大学物理和天文学院的Andre Geim和Konstantin Novoselov，获奖理由为“二维空间材料石墨烯（graphene）方面的开创性实验”。
从2004年石墨烯被成功剥离[1]至2010年斩获诺贝尔奖，是什么魔力让这一看似“普通”的碳材料在短短的6年时间内缔造了一个传奇神话？而回眸看其同族兄弟碳纳米管，自1991年被发现至今近20年，历经风雨，几经沉浮，不过是“为他人做嫁衣裳”。
石墨烯即为“单层石墨片”，是构成石墨的基本结构单元；而碳纳米管是由石墨烯卷曲而成的圆筒结构（图1）。
作为一维（1D）和二维（2D）纳米材料的代表者，二者在结构和性能上具有互补性。
从结构上来看，碳纳米管是碳的一维晶体结构；而石墨烯仅由单碳原子层构成，是真正意义上的二维晶体结构。
从性能上来看，石墨烯具有可与碳纳米管相媲美或更优异的特性，例如高电导率和热导率、高载流子迁移率、自由的电子移动空间、高强度和刚度等。
网上大多溢美之词：“Pencil + sticky tape = desktop supercollider + post-silicon processors”，“Material of the Future”，“A thoroughbred that has to be tamed”，“Electron superhighway”，...。
目前，关于碳纳米管的研究，无论在制备技术、性能表征及应用探索等方面都已经达到了一定的深度和广度。
组成及结构上的紧密联系，使二者在研究方法上具有许多相通之处。
事实上，很多针对石墨烯的研究最开始都是受到碳纳米管相关研究的启发而开展起来的。
图1 石墨烯与碳纳米管石墨烯的发展历程与碳纳米管极为类似。
在碳纳米管被发现之前，碳的晶体结构为代表[2]）。
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2吨
哥伦比亚大学的研究生，来自 中国的韦小丁和韩裔李琩钴。
超坚韧的 防弹衣 纸片般薄的超轻型飞机材料
球拍
制作假肢
钓鱼竿
强度
比世界上最好的钢铁高100倍
美国国家航空航天局（NASA）悬赏 400万美金
石墨烯——目前最强功能材料
世界上导电性最好的材料
各碳原子之间的连接非常柔韧，当施 加外部机械力时，碳原子面就弯曲变 形，从而使碳原子不必重新排列来适 应外力，也就保持了结构稳定。
Andre Geim Konstantin Novoselov
获奖
2010年 诺贝尔物理学奖
富勒烯
碳纳米管
石墨
建筑师巴克敏斯特· 富勒的设计之一
富勒烯（或者巴基球，C60 ， 足球烯的结构）
碳纳米管
在1991年日本NEC公司的电子 显微镜专家饭岛澄男(Iijima) 检 验石墨电弧设备中产生的球状碳 分子时，意外发现了由 “Carbon nanotube”，即碳纳米 管
10m
1km
100km
1万km
单电子晶 体管
柔性晶体 管
宇宙电梯
两极性晶 体管
LSI 总体布 线
在研
裸 眼
光学显微镜
可见光波段：400-700nm
电子显微镜（SEM）
~ 10kV
5 mm
SEM 光学显微图
电子显微镜（LEEM）
I. 由低能量的弹性背散射电 子成像．典型能量为 130eV； II. 横向分辨率已达15nm， 纵向分辨率达到原子级。
经典2维电子气
相对论粒子
电子在其中的运动速度达到了光速的1/300
石墨烯——目前最强功能材料
世界上导电性最好的材料
1. 电子能够极为高效地迁移（而传统的半导体和导体，例如硅 和铜，远没有石墨烯表现得好）。 2. 电子能量不会损耗。由于电子和原子的碰撞，传统的导体和
半导体以热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以
复合材料填料
仅就使用量而言，复合材料用填料是碳纳米管目前最大的应用领域 可用于制备高性能化和多功能性兼备的纳米复合材料 小尺寸特点决定了其聚合物复合材料可通过通用型聚合物加工设备进行生产
生物、医药领域
利用其高强度和柔韧性制备人造肌肉、人造骨骼等
药物输运(drug delivery)
碳纳米管的分类
SWNT
• 按石墨烯的层数分类
MWNT
(1)单壁碳纳米管（SWNT）：只有一个石墨烯层 (2)多壁碳纳米管（MWNT）：有两个或两个以上石墨烯层
MWNT
可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”– Russian doll 层间距~0.34 nm (石墨片层间距0.335 nm)
力学性能
• 高机械强度：钢100倍强度，1/6重量 • 高长径比: 103数量级
• 高比表面: 400-500m2/g
碳纳米管的特性
热学性能
管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。 热高各向异性材料。
电学性能
• 碳纳米管具有开放的多孔结构，并能在与电解质的交界面形成双电层， 从而聚集大量电荷，具有制备高性能超级电容器的潜质； • “内腔含水的”单根单壁碳纳米管：管中的自由载流子与管内的水分 子会产生一定程度的耦合，可以产生‘电动马达’和‘发电机’效应； • 由量子限域效应带来的金属性和半导体性
……
“纳米奥巴马”
每个纳米奥巴马头像包含着1.5 亿个碳纳米管，这些碳纳米管像 丛林中的树木一样垂直地排列着。
“纳米暖男”——碳纳米管升级装备
称量一亿分之二百克的 “纳米秤”
“拉开纳米管制备石墨烯”
Nanotube Covers
石墨烯
透明胶带 SiO2
HOPG
高定向裂解石墨
Si
“完美二维晶体结 构无法在非绝对零 度下稳定存在”
4. 化学还原
2 g of sample
Ethanol 5 ml Sodium 2 g
0.5 g graphene (0.1 g per ml)
TEM
220 ºC 72 hr
Rapidly pyrolyzed
Sealed vessel
200 nm
5. 化学还原
我愿意成为第二种人， 当然我会像平常一样走 进办公室，继续努力工 作，继续平常生活。
• • • • • • • • 石墨电弧放电法 化学气相沉积法 激光蒸发法 等离子体法 热解聚合物法 离子辐射法 催化裂解法 电解法
管径均匀且结构可控 纯度高、成本低 连续批量生产
碳纳米管的特性
导电性
天梯材料的唯一选择
超长单壁碳纳米管细丝(直径50～500 nm) 在90～300K间， 电阻率ρ=5～7μΩ/m
原子力显微镜（AFM）
扫描隧道显微镜（STM）
石墨烯的制备：
微机械剥离法 碳纳米管横向切割法 微波法
电弧放电法 光照还原法 外延生长法
石 墨 烯 的 制 备 方 法
石墨氧化还原法
电化学还原法
溶剂热法 液相剥离石墨法
碳化硅裂解法
化学气相沉积法
1. 石墨
HOPG
Pencil
2. 碳化硅（SiC）
微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1-100nm) 调制的碳材料，或以其为基本单元构成的材料。
a c b
a < 100 nm or b < 100 nm or c < 100 nm
碳纳米材料的分类
零维C60 (Fullerene)
一维碳纳米管 (Carbon Nanotube)
二维石墨烯 (Graphene)
获得诺贝尔奖的有两种人：一种 是获奖后就停止了研究，至此终 老一生再无成果；一种是生怕别 人认为他是偶然获奖的，因此在 工作上倍加努力。
海姆（左）和诺沃肖洛夫在英国曼彻斯特大学
谢谢大家！
海姆（左）和诺沃肖洛夫
01
最薄最轻
高
室温下为200,000 cm2/Vs（硅的100倍）， 理论值为1,000,000 cm2/Vs
03
电流密度耐性最大
2108 A/cm2(Cu的100倍)
04
强度最大
破坏强度：42N/m，杨氏模量与金刚石相当
碳纳米管的应用
储氢材料
室温、1bar压力下，SWNT可储氢5-10wt%，MWNT则为14wt%
可逆储/放氢量~5 wt%，迄今为止最好的储氢材料
嵌入碱金属后，能极大地提高储氢性能
分子（纳米）器件
催化剂载体
比表面积大，表面原子与总原子比率可高达50％ 气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍 担载后，催化剂的反应活性和选择性指数级上升，对传统的化学合成工业将产生革命性的影响
1. 碳纳米材料的定义
2. 碳纳米材料的分类 3. 碳纳米管
4. 石墨烯
碳元素的地位
1. 碳在地球中的丰度居元素的第14位；
2. 碳元素是形成物种最多的元素之-----有机物更是生命的根本； 3. 碳是生铁、熟铁和钢的成分之一；
碳元素的地位
金刚石 巴基球
晶型碳
石墨
巴基葱 富勒碳
碳纳米管
石墨烯
碳纳米材料
armchair
zigzag chiral
n=m
n=0 n ≠ m, m ≠ 0
根据电子结构的不同，SWNT可分为 金属性 半导体性 (n-m)/3为整数 (n-m)/3为非整数
单石墨片层
armchair型SWNT
zigzag型SWNT
chiral型SWNT
碳纳米管的制备方法
Si atom Excess C atom SiC
SiC starting surface
UHV-grown graphene
Ar-grown graphene
• LEED点阵能反映表面重构的信息， 来判定是否有graphene的行成 • 实时俄歇电子谱测量最外层Si:C比 • STM图像能看到Graphene的单个原子
Better chemistry, better life!
材料化学 Chemistry of materials
朱连文
生物与化学工程学院
“纳米奥巴马”
“纳米硬汉”
“纳米暖男”
“太空电梯”
“网格球顶”
碳纳米材料 Carbon Nanomaterials
碳纳米材料 (Carbon Nanomaterials)
摩尔定律
IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能 也将提升一倍。
石墨烯的出现可能会将摩尔定律延续下去，2025年以后可能 是从“硅”时代跨越到“石墨烯”时代。
石墨烯——目前最强功能材料
透明
1. 几乎是透明的（2.3％的光可被吸收；97.7％的光可被 传输）； 2. 光的饱和吸收。 透明导电膜
柔性
可弯曲、折叠
传导
超薄
透明
柔性
高性能传感器功能
类似“催化剂”的功能 吸氢功能 双极性半导体
可检测出单个有机分子
添加少量至树脂材料等，可强化 电子输送功能 已在低温下确认具有一定效果 无需添加剂即可实现CMOS构造 的半导体元件
常温下可实现无散射传输
只需变形即可获得事假强 磁场的电子能量效果
05
导热率最高
3000-5000 W/mK（与CNT相当）
石墨烯——目前最强功能材料
石墨烯 包装袋
迄今为止世界上强度最大的材料
Graphene Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Science 321, 385 (2008);