碳纳米材料的性能及应用作业.

碳纳米材料的性能及应用

Z09016114 蔡排枝

摘要:纳米材料被誉为21世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景。本文依据目前碳纳米材料的研究发展现状,阐述了碳纳米材料碳60、碳纳米管及石墨烯的结构性能,并对其应用特性进行了初步探讨和分析。

一.引言

碳纳米材料是指材料微观结构在0-3维内其长度不超过100nm;由碳原子组成,材料中至少有一维处于纳米尺度范围0-100nm;具有纳米结构。它有四种基本类型:a.纳米粒子原子团如C 60 (零维 b. 碳纳米纤维和碳纳米管(1维 c. 碳纳米层或膜材料石墨烯(2维 d.块体纳米材料如金刚石(3维。

由于碳纳米材料的独特结构,使其具有不同于常规材料和单个分子的性质如量子尺寸效应、表面效应、宏观量子隧道效应等,从而导致了碳纳米材料的力学性能、电磁性能、光学性能、热学性能等的改变,并使之在电子学、光学、化工陶瓷、生物、医药、日化诸多方面有重要价值,得到广泛的应用。由于石墨,金刚石并不是常用的碳纳米材料。

碳纳米材料中,目前应用最成熟的就是碳纳米管。碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石碳原子层卷曲而成,管直径一般为几纳米到几十纳米,管厚度仅为几纳米,长度可达数微米。由于拥有潜在的优越能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料科学领域都将有大发展前景。比如在材料科学领域,碳纳米管的长度是直的几千倍,被称为“超级纤维”,其性质随直径和螺旋角的同有明显变化。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相成立了纳米材料研究机构,使碳纳米管的研究进展随之加快并在制备及应用方面取得了突破性进展。

二.碳纳米材料的性能

2.1 C60的主要性质及应用

C60具有缺电子烯的性质,同时它又兼备给电子能力,六元环间的6:6双键为反应的活性部位,可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应,并可参与配合作用。C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能,对它的研究已广泛开展。

(1超导体

超导现象是大约10年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60中发现的。C60分子本身是不导电的绝缘体,但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后,C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体如K3C60即为超导体,且具有很高的超导临界温度。

(2光学特性

由于C60分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能。C60光激发后很容易形成电子一空穴对从而产生光电子转移,C60还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点,可以预计C60将是很好的光电导材料、新型非线性光学材料,有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。

(3功能材料的制备

由于C60特殊笼形结构及功能,将C60作为新型功能基团引入高分子体系,得到具有优异导电、光学性质的新型功能高分子材料。将富勒烯丰富的电子和电化学性质与富电子的过渡金属配合物Ru—bipy,Ru—terpy,二茂铁等电活性物种结合可用于新型分子电子器件的制备。华中科技大学刘晓国等人将纳米富勒烯与丙烯酸(酯单体在引发剂作用下共聚,用该聚和物与有机胺中和成盐使其水性化,制得水溶性纳米富勒烯一丙烯酸(酯高分子成膜材料,发现富勒烯对丙烯酸(酯聚和物具有独特的成膜改性功能。

(4新型催化剂

C60分子的电子亲和力较高(2.6—2.8 ev易于通过分子内或分子间的电子授受作用而发生氧化还原反应,

因此多数富勒烯或其衍生物的金属配合物均具有良好的催化性能,如C60Pdn 可在常温下催化苯乙炔的氢化, C60Pt(H h32、C60Pm对端烯烃的硅氢加成有良好的催化活性。

(5生物活性材料

Friedman 等人报道了水溶性二氨基二酸二苯基C60衍生物的合成方法,并证明它有抑制HIVP活性的功效,而艾滋病研究的关键是有效抑制的活性。Nakajima等人将他们合成的带聚乙二醇的C60~t 生物与 HelaS3 细胞共同培养并用光照射,结果呈现细胞毒性。

2.2 碳纳米管的结构性能及应用

由碳原子形成的石墨烯片层围成的一种管状结构,而且它们的直径很小,基本都在纳米尺度,所以称其为纳米碳管。在理想情况下,仅仅包含一层石墨烯的纳米碳管称为单壁纳米碳管。包含两层以上石墨烯片层的纳米碳管称为多壁纳米碳管,片层之间的距离为0.34-0.36nm。

碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物,可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。管子一般由单层或多层组成,相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管(SWNT和多壁纳米碳管(MWNT。碳纳米管的直径在几微米到几十纳米之间,长度可达数微米,因此有较大的管径比。资料表明:碳纳米管的晶体结构为密排六方( hcp , a = 0. 24568nm, c = 0. 6852nm, c / a = 2. 786,与石墨相比,a 值稍小而c 值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力,碳纳米管有极高的同轴向强度。多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性纳米管。

碳纳米管具有很高的杨氏模量和抗拉强度,杨氏模量估计可高达5TPa ;同时碳纳米管还具有极高的韧性,十分柔软。碳纳米管的导电性与本身的直径和螺旋度有

关,随着这些参数的变化可表现出导体或半导体性质.碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷,使其局部区域呈现异质结特性.不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应,有近乎理想的整流效应.在室温条件下,碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波,能以新的频谱发射光波,还能发射与原来频谱完全相同的光波。可以有以下的应用。

(1纳米电子学方面

作为典型的一维量子输运材料,用金属性单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应.碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中,也可以被制成新一代的量子器件.碳纳米管还可用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针。碳纳米管还为合成其它一维纳米材料的控制生长提供了一种模板或框架,碳纳米管在高温下非常稳定,利用碳纳米管的限制反应可制备其它材料的一维纳米结构.这一方法用于制备多种金属碳化物一维纳米晶体和制备氮化物的一维纳米材料。在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容,这就为碳纳米管器件与硅器件的集成提供了可能。美国IBM公司于2001年用单分子碳纳米管成功制成了当时世界上最小的逻辑电路。美国IBM 于2002年成功开发出了当时最高性能的碳纳米管晶体管,比当时用硅制成的最先进的晶体管的速度还要快.

(2信息科学方面

碳纳米管可制作碳纳米管场致发射显示器碳纳米管的顶端很细,有利于电子的发射,它可用做电子发射源,推动场发射平面显示发展.实验证明在硅衬底上可生长规则的碳纳米管阵列,采用蒸发和掩膜技术在硅表面形成铁的薄膜微观图形,利用乙烯做反应气体,在适当的反应条件下,碳纳米管可垂直于衬底表面生长,形成规则的阵列,阵列的形状由衬底上铁膜的微观图形决定.这种碳纳米管阵列的一个可能的直接应用是场发射平面显示.西安交通大学朱长纯教授领导的研究小组采用新的技术,引导碳纳米管有序、定向地生长在导电的硅片衬底上引,并且进一步研制出功能完备的场发射像素管0训,由于其纯度高、有序性好,场发射性能也大为提高。和传统显示