国产5nm碳纳米管研究新突破
碳纳米管材料
碳纳米管材料的性能
电学性能
但是目前人们在制备碳纳米管时， 目前还无法按照所需的要求制备出具 有特定电学特性的碳纳米管[23]。仅这 一点，就使得碳纳米管在纳米电子学 的应用中仍然存在着一些必须尽早解 决的问题。为了改变这种状况，人们 正采用半导体材料改性的同样方法， 通过化学掺杂的方式来制备n 型或p 型的碳纳米管，以求控制和改变碳纳 米管的电子学特性。
碳纳米管材料的性能
力学性能
弹性：与金刚石的三维结构不同，碳 纳米管作为一维纳米材料可弯可拉具 有相当好的弹性[ 18 ]。通常碳纳米管 发生很大的拉伸变形，只要不发生原 子共价键发生断裂，通常碳纳都能完 全恢复到原来的状态[ 19]。实验表明碳 纳米管在拉升达原来长度的136%时 仍 然可以恢复到原来的样子[20]。而且 即使受到了很大的外加应力，碳纳米 管也不会发生脆性断裂 。
其中制备碳纳米管最为主 要的有三种方法，分别为：电 弧放电法、激光蒸发法和化学 气相沉积法(CVD)。其他还有热 解聚合物法、电解法、太阳能 法。
碳纳米管材料的制备
1石墨电弧法
最早制备CNTs的工艺方法是石墨电弧法，电弧实质上是一 种气体放电现象，其主要工艺是在真空反应室中充惰性气体(He、 NH4)，采用较细石墨棒作为阳极，粗大的石墨棒作为阴极，在 电弧放电的过程和高温的条件下，固体碳源蒸发并进行结构重 排，阳极石墨被蒸发消耗的同时阴极石墨上会沉积CNTs，从而 生产出CNTs。Iijima在1991年就是利用此法制各出的CNTs：石 墨电弧法具有简单快速的特点，而且所制各的CNTs管直，石墨 化程度高，但该法所产生的CNTs缺陷较多，而且CNTs烧结成束， 束中夹杂很多非晶态杂质。
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组长：计俊 小组成员：卜力敏、陆唯一、谢颍洁、 朱晨、李骏、李康斌
碳纳米管材料应用的调研
碳纳米管材料应用的调研
史国庆
【期刊名称】《产业创新研究》
【年(卷),期】2024()6
【摘要】碳纳米管的径向尺寸可达到纳米级,它的轴向尺寸可以达到微米级,管的两端是密封的,是独特的一维量子材料。
优质的多层碳纳米管由碳原子按六边形方式布局构建而成,层与层之间维持约0.34nm的距离,直径通常在2—20nm范围内。
碳纳米管兼具了碳材料的优良性能,同时它还具有金属的导电及导热特性、具有与陶瓷材料的耐热及耐腐蚀特性、具有与纺织纤维类似的编织性能和轻质、容易加工等优点,是一类极具潜力的高强碳纤维材料。
碳纳米管(CNTS)是一种兼具高强度、高弹性、抗疲劳性及各向同性的复合材料,有望实现其性能的跨越式发展。
【总页数】3页(P94-96)
【作者】史国庆
【作者单位】中通服咨询设计研究院有限公司
【正文语种】中文
【中图分类】TB3
【相关文献】
1.动物丝蛋白及高聚物/碳纳米管复合材料在生物医用材料上的应用
2.磁性吸附碳纳米管复合材料在吸波材料中的应用及展望
3.XNBR纳米复合材料在设计水声传
感器中的应用:碳纳米管对材料动态力学性能和形态学的影响4.碳纳米管及其复合材料在锂离子电池中的应用综述5.碳纳米管基电热材料的结构设计与应用
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碳纳米管吸附性能的研究.
摘要炭吸附材料由于具有较大的比表面积，稳定的物理、化学性质，具有较强的吸附性能，已成为最具代表性的一类空气净化材料。
碳纳米管具有一些独特的性质，如特殊的导电性能、力学性质及物理化学性质等。
因此碳纳米管自出现以来即引起关注并广泛应用于诸多科学领域。
碳纳米管（CNTs）由于具有较大的比表面积，因此具有良好的吸附能力，现在已经被应用于储氢及吸附剂等领域。
本次研究主要是针对CNTs的吸附能力，通过KOH活化的方法进一步增大CNTs的比表面积，进行甲基橙吸附实验并探索活化需要的最佳碱炭比，之后通过改变其它因素如震荡时间及CNTs的用量进一步探究CNTs的吸附能力。
关键词：吸附材料；碳纳米管；活化；AbstractCarbon adsorption material has larger specific surface area, stable physical and chemical properties, with strong adsorption properties, has become a kind of the most representative materials of air purification. Carbon nanotubes have some unique properties, such as special conductive properties, mechanical properties and physical and chemical properties. Therefore carbon nanotubes since there has caused concern and that is widely used in many fields of science.As Carbon nanotubes (CNTs) has a larger surface area, it has a good adsorption capacity, has now been applied to the field of hydrogen storage and adsorbent.This study focuses on the adsorption capacity of CNTs. Using the KOH activation method increase the specific surface area of CNTs. For methyl orange adsorption experiments and explore the best alkali activated carbon ratio required. Then chang other factors such as the shock time and the amount of CNTs to further explore the adsorption capacity of CNTs.Keywords: Adsorption material; Carbon nanotubes; Activation;目录1绪论 (1)1.1课题研究背景 (1)1.2本文研究的内容和意义 (2)1.2.1实验研究的主要内容 (2)1.2 .2研究意义 (2)1.3碳纳米管的结构与特性 (2)1.3.1碳纳米管的结构 (2)1.3.2碳纳米管的吸附特性 (3)1.4碳纳米管的纯化 (4)1.5碳纳米管的活化 (5)2碳纳米管的KOH活化实验 (7)2.1活化实验方案设计 (7)2.2仪器与试剂 (7)2.3实验内容及过程 (7)2.4实验误差分析 (8)3碳纳米管吸附甲基橙实验 (10)3.1甲基橙吸附实验目的 (10)3.2仪器与试剂 (10)3.3实验内容及过程 (10)3.4数据分析及实验结论 (11)4其它因素对甲基橙吸附的影响 (15)4.1震荡时间对吸附效果的影响 (15)4.2碳纳米管用量对吸附效果的影响 (17)5结论 (19)致谢 (21)参考文献 (22)1绪论1.1课题研究背景随着室内装修的不断升温，各种建筑材料的广泛应用，由此引发的室内空气污染越来越受到人们的关注，其中主要的污染物为来源于油漆、胶合板、刨花板、内墙涂料、塑料贴面等材料中的甲醛、苯、VOC(Volatile Organic Compounds)等挥发性有机物。
碳纳米管
(B)热解法：这种方法也很简单，将一块基板放 进加热炉里加热至600℃，然后慢慢充入甲烷 一类的含碳气体。气体分解时产生自由的碳原 子，碳原子重新结合可能形成碳纳米管。
优点：最容易实现产业化，也可能制备很长的 碳纳米管。
缺点：制得的碳纳米管是多壁的，常常有许多 缺陷。与电弧放点法制备的碳纳米管相比，这 种碳纳米管抗张强度只有前者的十分之一。
初步估算，碳纳米管的强度大概是钢的100倍。 Lieber运用STM技术测试了碳纳米管的弯曲强度， 证明碳纳米管具有理想的弹性和很高的硬度。因此 用碳纳米管作为金属表面上的复合镀层，可以获得 超强的耐磨性和自润滑性，其耐磨性要比轴承钢高 100倍，摩擦系数为0.06～0.1，且还发现该复合镀层 还具有高的热稳定性和耐腐蚀性等性能。
（C）浓硝酸氧化法
将碳纳米管加入到浓硝酸中搅拌，超声波分散 后加热回流处理。自然冷却后用蒸馏水稀释、 洗涤至中性，经真空干燥、研磨后既得到纯化 处理的碳纳米管[14]。
优点：经过适当浓度硝酸氧化处理一定时间的 CNTs，其基本结构未发生本质变化，而表面 活性基团显著增加，在乙醇中分散浓度、均匀 性、稳定性得到提高，在复合材料中的分散均 匀性及与树脂的结合性能也得到相应提高。硝 酸氧化处理是CNTs表面活化的有效方法。
中美科学家在研究中对合成碳纳米管常用的化 学气相淀积方法进行了改进。改进结果显示，在化 学气相淀积过程中加入氢和另外一种含硫化合物后， 不仅能制造出更长的碳纳米管束，而且这些碳纳米 管束可由单层碳纳米管通过自我组装而有规律地排 列组成。
研究人员认为，他们的新方法作为一种更为简便 的替代工艺，也许还可以用来生产高纯度的单层碳 纳米管材料。
碳纳米管的性能及其在海水淡化中的应用
碳纳米管的性能及其在海水淡化中的应用摘要碳纳米管是近年来国内外广泛关注的一类纳米材料，具有一维特征孔道结构，能够有效促进液体分子的传输速率，是理想的海水淡化膜分离材料。
通过将其引入到常用的海水淡化膜基质中，借以提高膜的分离性能，逐渐成为膜分离领域的一个研究热点。
结了碳纳米管在反渗透、正渗透、膜蒸馏中的应用研究现状并分析了碳纳米管在反渗透、正渗透、膜蒸馏应用中的挑战，探讨了碳纳米管在海水淡化膜分离材料中的应用潜力。
１碳纳米管的结构与功能Ｋｒｏｔｏ和Ｓｍａｌｌｅｙ于１９８５年首次发现了碳纳米管，直到１９９１年，由Ｉｉｊｉｍａ首次成功制备了碳纳米管。
碳纳米管是一种由单层或多层石墨烯同轴缠绕而成的柱状或层套状的管状物，碳原子以ｓｐ２杂化为主并混有ｓｐ３杂化。
碳纳米管性能优异，在微电子、生物医药和聚合物复合材料加固等方面应用潜力巨大。
碳纳米管具有独特的本征空腔结构，输水能力超强，水分子在碳纳米管中的传输速度比理论计算的高出几个数量级。
Ｈｕｍｍｅｒ等采用分子动力学模拟水分子在碳纳米管中的流动行为，并提出了水分子在碳纳米管中的快速输送机理：首先，水分子在碳纳米管内部形成强力、规则的氢键，利于水分子快速通过；其次，碳纳米管内腔疏水、无极性，与水分子之间的相互作用非常弱，水分子能够无摩擦地通过碳纳米管。
Ｔｈｏｍａｓ等通过研究水分子在不同直径和长度的碳纳米管内的传输动力学，证明碳纳米管的内径对水分子的传输速度起决定作用。
随着内径的增大，水分子在碳纳米管中的构型逐渐由线性链变为堆叠五边形和六边形，最后成为无规则水流（见图１）。
当碳纳米管内径为０．８３ｎｍ时，水分子成线性链，流速达到最大。
脱盐效果优异是碳纳米管在膜分离技术应用中的另一个重要性能。
碳纳米管的内径和尺寸排阻效应与毛细管行为的临界尺寸相当，能够在内壁形成能垒，只允许水分子通过，而水合离子则需要克服能垒后通过。
碳纳米管的内径对离子截留率的影响至关重要，当内径由０．６６ｎｍ增大到０．９３ｎｍ时，脱盐率由１００％降低到９５％。
非晶碳纳米管生长研究取得新进展
美 国 Ｆ ｂ Ｒｉ 术 公 司 的 Ｋｉ ｌ ａ ｅ ｉ ｅ ｏ技 ａ Ｇｒ ｍｌｙ先 生 说 ，随 其有 着不 同于 晶体 型碳 纳米管 的应用 前景 。目前 ， 非晶碳 纳 着 生 产 力 的 提 高 和 应 用 范 围 的 扩 大 ，纳 米 纤 维 市 场 规 模 将 米 管主 要可 由化 学 气相沉 积 和 电弧放 电等 方法 制备 ，由于
ｌ 国 体 业 ２１ｏ 中 粉 工 ０ ． １Ｎ ３
对 其生 长机理 缺乏 全 面深入 的认 识 ，故 而 尚未 找到 非 晶碳 纳米 管可 控制备 的有 效手 段 。
“ 考虑 到 ２ １ 年 国 际足 联世 界杯 和 ２ １ 年夏 季奥运 会 ０４ ０６
都 将 在 拉 美 举 办 ，而 这 里 拥 有 目前 众 多 世 界 上 发 展 最 快 的 、
型离 心力纺 纱（ ｏ ｃ ｓ ｉ ｎ ｎ ） Ｆ ｒｅ ｐ ｎ ｉ ｇ 纳米纤 维生产 的最新 进展 。 去年 Ｆｉｅ ｏ推出纳 米纤 维生产 的机械方 法 ，被称 为 ｂ Ｒｉ 新 型离心力 纺纱 （ ｏ ｃｓ ｉ ｎ ｆ ） Ｆ ｒ ｅｐ ｎ ｊｇ 。这种过程 的 目的是提高 １
Ｓ ＣＭ 金属制 品有 限公 司扩大在 华铜 粉生 产 规 模
总部位 于美 国卡莱 罗纳州 的Ｓ Ｍ 金属 制品有 限公司计 １ Ｃ 划 扩 大 在 中 国 苏 州 工 厂 的 铜 粉 生 产 规 模 ， 以 满 足 亚 洲 地 区 正 在 增 长 的 铜 粉 市 场 的 需 要 。根 据 计 划 Ｓ ＣＭ 金 属 制 品 有 限
生 产率 ， 强纳米 纤维在 大范 围产品 中的应用 。与其它现 有 加
结 果 表 明 实 验 测 试 所 得 的 直 径 范 围 与 理 论 计 算 值 能 够 很 好 有 Ｉ ｉ ｇ ｐ ｒ 的推 动 ， Ｅ Ｓｎ ａ ｏ ｅ 我们不 可能取 得这 一成就 。 ｈ ｒ ”Ｓ ｅ
碳纳米管接触电阻的研究进展
碳纳米管接触电阻的研究进展代利峰;安立宝;陈佳【摘要】与金属之间过高的接触电阻是影响碳纳米管在微纳电子器件中应用的关键因素之一，本文从形成机理和改善方法两个方面综述了近年来碳纳米管接触电阻的研究进展。
介绍了利用第一性原理对碳纳米管与金属界面电子输运性能的理论研究，以及金属功函数对界面势垒调试作用的实验研究。
研究表明金属与碳纳米管之间具有较弱的杂化作用和较长的接触长度时，接触电阻较小；金属与碳纳米管功函数越接近，势垒高度越低。
阐述了超声焊接技术、高温退火法、金属沉积法、局部焦耳热法等常用降低碳纳米管接触电阻方法的作用机理，并分析了这些方法对器件性能的改善作用。
其中局部焦耳热法操作简单、易于自动化、对器件损害小、成本低，是目前比较理想的降低碳纳米管接触电阻的方法。
%The high contact resistance of carbon nanotubes ( CNTs) with metal is one key factor that retards the application of CNTs in micro-and nano-electronics devices. This paper reviews recent research progress on the contact resistance of CNTs from two aspects, they are the formation and improvement of the CNT’ s contact resistance. Theoretical studies of the contact resistance of CNTs using the first principles and experimental investigations into the effect of metal work function on the interface barrier were introduced. Results show that the contact resistance is low when there is a weak hybrid effect and large contact length between the metal and CNTs, and the closer the work function of the metal to that of the CNTs, the lower the barrier height. The commonly used methods for improving the contact resistance of CNTs, including ultrasonic nanowelding, high temperature annealing, metaldeposition, and local Joule heating were presented, and the improvementof device performance using these methods was analysed. Among these methods, local Joule heat-ing is more ideal at present time since it is with the advantages of simple operation, high degree of automation, less device damage, and low cost.【期刊名称】《航空材料学报》【年(卷),期】2016(036)005【总页数】7页(P90-96)【关键词】碳纳米管;接触电阻;第一性原理;功函数;降阻方法【作者】代利峰;安立宝;陈佳【作者单位】华北理工大学机械工程学院，河北唐山063009;华北理工大学机械工程学院，河北唐山063009;华北理工大学机械工程学院，河北唐山063009【正文语种】中文【中图分类】TN4由于理想的一维结构和独特的物理、化学性质[1-3]，碳纳米管有望被广泛应用于场效应管和传感器等各种微纳电子器件中[4]。
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。
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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 。
了短沟道效应和源漏直接隧穿，从而制备出了 5 纳米栅长的
高性能碳纳米管晶体管，器件亚阈值摆幅达到73mV/Dec 。
图2 : 5纳米栅长碳管晶体管。
A :采用金属接触的碳管晶体
管截面TEM 图，以及采用石墨烯作为接触的碳管晶体管为5 纳米的碳管晶体管的转移曲线。
性能遥遥领先传统硅器件在此基础上，课题组全面比较了碳纳米管CMOS 器件的优势和性能潜力。
研究表明，与相同栅长的硅基CMOS 器件相比，碳纳米管CMOS 器件具有10 倍左右的速度和动态功耗（能耗延时积，EDP ）综合优势，以及更好的可缩减性。
对实验数据分析表明， 5 纳米栅长的碳管器件开关转换仅有约 1 个电子参与，并且门延时达到了42fs ，非常接近进制电子开关器件的极限（40fs ），该极限由海森堡测不准原理和香农-冯诺依曼-郎道尔定律（SNL ）决定。
表明 5 纳米栅长的碳纳米管晶体管已经接近电子开关的物理极限。
SEM图；B:石墨烯作为接触的碳管晶体管示意图; C :栅长碳纳米管CMOS 器件与传统半导体器件的比较。
A: 基于碳管阵列的场效应晶体管结构示意图；B-D :碳管CMOS 器件（蓝色、红色和橄榄色的星号）与传统材料晶体管的亚阈值摆幅
（SS ），本征门延时和能量延时积的比较。
课题组研究了接触尺寸缩减对器件性能的影响，探索了器件整体尺寸的缩减。
将碳管器件的接触电极长度缩减到25 纳米，在保证器件性能的前提下，实现了整体尺寸为60 纳米的碳纳米管晶体管，并且成果演示了整体长度为240 纳米的碳管
CMOS 反相器，这是目前实现的最小纳米反相器电路。