低维纳米碳材料(闵宇霖,李和兴,吴彬 编著)思维导图
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碳纳米材料报告
DNA与C60结合的模拟
（3）电化学性能 碳纳米管其独特的结构特点导致其具有优异的导电能力，它不单单可以呈现出半导体的特性，而且 可以呈现出导体性，乃至金属性等特征。
（4）光学性能 碳纳米管具有不同于常规晶态与非晶态的光学特性，既包含线性光学性质，又具有非线性光学性质， 其中碳纳米管的非线性光学性质已被广泛研究。 （5）磁学性能 碳在常温下是一种抗磁性物质，但不同情况下碳纳米管却表现出不一样的磁性能。
几种典型的碳纳米材料
石墨烯：一种由碳原子以sp²杂化轨道组成六角型呈蜂巢晶格的二维
碳纳米材料。 两位英国物理学家用微机械剥离法成功从石墨中分离出石墨烯， 因此共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
几种典型的碳纳米材料
几种种典型的碳纳米材料
世界上最薄的灯泡
哥伦比亚工程学院等学校的科学家小组经过研究，用石墨烯造出 了一种光源材料。他们把小条状的石墨烯粘附在金属电极上，利用 电流使其升温，当温度足够高是，石墨烯就亮了。
哈工大世界首例双引擎人造微纳米机器
碳纳米材料的介绍
碳纳米材料定义：
纳米碳材料是指微观结构至少有一维方向1-100nm的碳材料。 碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，它具有SP、SP2、 SP3杂化的多样电子轨道特性，在加之SP2的异向性导致晶体的各向导性和其它排列的各 向导性，因此以碳元素为唯一构成元素的碳素材料具有各式各样的性质。
几种典型的碳纳米材料
石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物 医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。
几种典型的碳纳米材料
石墨：是元素碳的一种同素异形体，每个碳原子的周边连结着另
外三个碳原子伸展成片状结构相互叠加而成。
第四章-一维纳米材料ppt课件
16
Au-Ag-Au-Ag nanowire
17
1.3 硬模板：碳纳米管(carbon nanotubes)
用于制备碳化物纳米棒的反应路线示意图
18
碳纳米管
以碳纳米管为模板合成的
GaN纳米线
19
1.4 硬模板：外延模板法
“外延模板法”制备单晶GaN 纳米管的过程示意图 20
A) TEM images of Ag/SiO2 coaxial nanocables that were prepared by directly coating silver nanowires with an amorphous silica sheath using the sol-gel method.
10
1.2 硬模板：多孔氧化铝膜(AAO)
结构特点是孔洞为六边形或圆形且垂直于膜面，呈 有序平行排列。孔径在5至200nm 范围内调节，孔密 度可高达1011 个/cm2。
184nm
477nm
666nm
11
利用AAO模板合成纳米材料
沉积
电抛光 纳米棒
阳极氧化
Al 纳米有序阵列复合结构
纳米管
纳米粒子
32
2.6 软模板法特点： (1) 模拟生物矿化； (2)软模板的形态具有多样性； (3)容易构筑，不需要复杂的设备； (4)稳定性较差，模板效率不够高。
33
2.7 模板法制备纳米材料的比较 共性：能提供一个有限大小的反应空间 区别：硬模板提供的是静态的孔道,物质只能从开口
处进入孔道内部 软模板：提供的则是处于动态平衡的空腔,物质可以
杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。 57
碳60超导体
C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子，
Au-Ag-Au-Ag nanowire
17
1.3 硬模板：碳纳米管(carbon nanotubes)
用于制备碳化物纳米棒的反应路线示意图
18
碳纳米管
以碳纳米管为模板合成的
GaN纳米线
19
1.4 硬模板：外延模板法
“外延模板法”制备单晶GaN 纳米管的过程示意图 20
A) TEM images of Ag/SiO2 coaxial nanocables that were prepared by directly coating silver nanowires with an amorphous silica sheath using the sol-gel method.
10
1.2 硬模板：多孔氧化铝膜(AAO)
结构特点是孔洞为六边形或圆形且垂直于膜面，呈 有序平行排列。孔径在5至200nm 范围内调节，孔密 度可高达1011 个/cm2。
184nm
477nm
666nm
11
利用AAO模板合成纳米材料
沉积
电抛光 纳米棒
阳极氧化
Al 纳米有序阵列复合结构
纳米管
纳米粒子
32
2.6 软模板法特点： (1) 模拟生物矿化； (2)软模板的形态具有多样性； (3)容易构筑，不需要复杂的设备； (4)稳定性较差，模板效率不够高。
33
2.7 模板法制备纳米材料的比较 共性：能提供一个有限大小的反应空间 区别：硬模板提供的是静态的孔道,物质只能从开口
处进入孔道内部 软模板：提供的则是处于动态平衡的空腔,物质可以
杂后的C60表现出良好的导电性和超导性。 57
碳60超导体
C60中掺杂，引入碱金属、碱土金属原子，
《低维材料二》课件
分类
零维材料
如纳米颗粒和原子簇，具有很高的比表面积和量子效应。
一维材料
如纳米线和纳米管，具有较大的长宽比和较高的电导率。
二维材料
如石墨烯和过渡金属二卤化物，具有单原子层厚度和优异的力学 、电学和热学性能。
应用领域
能源领域
环境领域
低维材料在太阳能电池、燃料电池和锂电 池等领域具有广泛应用，可以提高电池的 能量密度和充放电性能。
磁学性能
总结词
低维材料的磁学性能表现在磁有序和磁激发等方面， 其磁学性质与材料尺寸、结构和环境密切相关。
详细描述
低维磁性材料在信息存储、自旋电子学等领域具有重 要应用前景。近年来，科研人员发现了一些具有优异 磁学性能的低维材料，如单层铁磁体和自旋阀材料。 这些低维材料在极低温度下仍能保持稳定的磁有序状 态，为发展下一代高密度磁存储器件提供了可能。此 外，低维磁性材料的磁激发行为也表现出独特的尺寸 效应和量子效应，为磁学研究领域带来了新的研究方 向。
02
法
物理法
物理气相沉积法
利用物理过程，如蒸发、溅射等，将 材料从源物质中分离出来，并在基底 上沉积形成低维材料。
机械剥离法
通过施加机械力将块体材料剥离成单 层或少层二维材料，如石墨烯的制备 常用此方法。
化学法
化学气相沉积法
利用化学反应在基底上生成低维材料 ，通过控制反应条件和基底温度等参 数，可实现不同低维材料的制备。
性能调控困难 低维材料的性能受到众多因素的 影响，如尺寸、形貌、结晶度等 ，对其性能的调控十分困难。
未来发展方向
提高稳定性
通过改进制备方法和后处理技 术，提高低维材料的稳定性，
使其在实际应用中更可靠。
规模化生产
《碳纳米材料》PPT课件
巴基葱（多层同心球状结构） 巴基管（碳纳米管）
比钻石还硬的材料 ——石墨烯
• 2021年诺贝尔 物理学奖
• 安德烈· 海姆康斯坦丁 ·诺沃肖洛夫
• 获奖原因 • 对石墨烯这一世界上最薄材料的开创性研究
2021年度诺贝尔物理学奖获得者
安德烈·海姆 康斯坦丁·诺沃肖洛夫
发现
Graphene(石墨烯) 是2004年由曼彻斯特大学 科斯提亚•诺沃谢夫（Kostya Novoselov）和 安德烈•盖姆（Andre Geim）发现的，他们使 用的是一种被称为机械微应力技术 （micromechanical cleavage）的简单方法。 正是这种简单的方法制备出来的简单物质—— 石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认 识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定 存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室 温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。
电弧法作为被广泛用于单壁纳米碳管制备的一种方 法，其优点是设备比较简单，产量较大。缺点是产 物中含有较多的催化剂、无定形炭等杂质，需要进 一步的系统提纯；另外纳米碳管的生长是在远离平 衡状态下进行的，这不利于对其生长条件的直接调 控和生长机理的探索，而且比较难于控制电弧的放 电过程，成本也比较高。
• 石墨烯中电子的隧道效应：电子波能百分百地发生隧穿， 事先在一片石墨烯晶 体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般认 为，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子 都发生了量子隧道效应，通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性：相对 论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。
电弧放电法
将石墨电极置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，可以调节几 种产物的相对产量。
比钻石还硬的材料 ——石墨烯
• 2021年诺贝尔 物理学奖
• 安德烈· 海姆康斯坦丁 ·诺沃肖洛夫
• 获奖原因 • 对石墨烯这一世界上最薄材料的开创性研究
2021年度诺贝尔物理学奖获得者
安德烈·海姆 康斯坦丁·诺沃肖洛夫
发现
Graphene(石墨烯) 是2004年由曼彻斯特大学 科斯提亚•诺沃谢夫（Kostya Novoselov）和 安德烈•盖姆（Andre Geim）发现的，他们使 用的是一种被称为机械微应力技术 （micromechanical cleavage）的简单方法。 正是这种简单的方法制备出来的简单物质—— 石墨烯推翻了科学界的一个长久以来的错误认 识——任何二维晶体不能在有限的温度下稳定 存在。现在石墨烯这种二维晶体不仅可以在室 温存在，而且十分稳定的存在于通常的环境下。
电弧法作为被广泛用于单壁纳米碳管制备的一种方 法，其优点是设备比较简单，产量较大。缺点是产 物中含有较多的催化剂、无定形炭等杂质，需要进 一步的系统提纯；另外纳米碳管的生长是在远离平 衡状态下进行的，这不利于对其生长条件的直接调 控和生长机理的探索，而且比较难于控制电弧的放 电过程，成本也比较高。
• 石墨烯中电子的隧道效应：电子波能百分百地发生隧穿， 事先在一片石墨烯晶 体上人为施加一个电压（相当于一个势垒），然后测定石墨烯的电导率。一般认 为，增加了额外的势垒，电阻也会随之增加，但事实并非如此，因为所有的粒子 都发生了量子隧道效应，通过率达100%。这也解释了石墨烯的超强导电性：相对 论性的载荷子可以在其中完全自由地穿行。
电弧放电法
将石墨电极置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，可以调节几 种产物的相对产量。
纳米结构与低维性补充
式中，A是量子阱在二维平面的面积。因此在二维条件下，在每一个子能 级上的态密度为常数。对于整个二维系统，则总的态密度为
tot D2 D
Am* E En 2 n
1 0
其中
E En 0
E En 0
对于量子线结构，即一维纳米线
设一维量子线为矩形截面无限无限深势阱，在x、y方向上矩形的长和宽分别为a、 b，为纳米尺度，在z方向为宏观尺度L，则在驻波边界条件下得到式（2）的 解为
原因：由于小尺寸下，当各向异性能减小到与热运动能可相比拟时.磁化 方向就不再固定在一个易磁化方向，易磁化方向作无规律的变化，结果 导致超顺磁性的出现。不同种类的纳米磁性微粒显现超顺磁的临界尺寸 是不相同的
（2）矫顽力
纳米微粒尺寸高于超顺磁临界尺寸 时通常呈现高的矫顽力Hc.
原因：两种解释：一致转动模式和球
图3：低维纳米材料的电子态密度
热学性能
由于颗粒小，纳 米微粒的表面能 高、比表面原子 数多， 这些表面 原子近邻配位不 全，活性大以及 体积远小于大块 材料，因此纳米 粒子熔化时所需 增加的内能小得 多.这就使得纳米 微粒熔点降低 图4：金纳米微粒的粒径与熔点的关系
磁学性能
（1）超顺磁性
纳米微粒尺寸小到一定临界值时进入超顺磁状态
纳米结构与低维性
杨珊珊
电子态密度
概念：固体物理中的重要概念，即能量介于E～E+△E之间的量
子态数目△Z与能量差△E之比，即单位频率间隔之内的模数。NE关系反映出固体中电子能态的结构，固体中的性质如电子比热， 顺磁磁化率等与之关系密切。在技术上，可利用X射线发射光谱方 法测定态密度。
低维材料
2. 场发射性质 将CVD方法制成的碳纳米管沉积在钥针尖上，测试这种材料的场发射特性。结果表 明这种材料可作为一种新型高效的场发射体。 用多孔阳极氧化铝(AAO)模板，进行化学 气相沉积成功制备出一种大面积高度取向、分立有序的由表面碳膜固定保持的碳纳米管 阵列膜。直接将它作为场电子发射体，发现它同样具有良好的场电子发射特性。这种原 料来源丰富、制备方法简便、成本低的场电子发射材料，对平板显示技术有良好的应用 潜力。 3. 热学性质 纳米碳管热学性能最令人注目的是，理论预测纳米碳管的导热系数很可能大于金刚 石而为世界上导热率最高的材料，不过，测量单根纳米碳管的热导是一件更加困难的事， 目前还没有获得突破。所有这方面的工作都是纳米碳管体材料的结果。将电弧法制备的 单层纳米碳管压成5mmX2mmX2mm的方块(相对密度为70％)，测得室温下未经处理的 纳米碳管块导热率为35w／m．K，远小于理论预测值。 显然，纳米碳管块间的空隙，纳米碳管之间的接触，都将极大地减小纳米碳管块的 导热率；而且．依据石墨的性质，纳米碳管沿轴方向与垂直于轴方向的导热能力应有很 大的不同。因此，该结果不能代表纳米碳管的实际导热率。正如单根纳米碳管的电导率 是纳米碳管体材料的电导率的50至150倍，如果单根纳米碳管的热导率也是如此，那末 纳米碳管导热率为1750—5800w／m.K。 利用x射线衍射和透射电子显微镜研究碳纳米管在5．5GPa下的热稳定性也取得重 要进展。根据以往的研究在常压真空条件下碳纳米管的热稳定性非常好，其结构在 2800℃以下可能并不发生变化。实验中发现，虽然在5．5GPa压力下冷压作用后碳纳 米管的微结构没有明显的改变，但在950℃既开始发生改变，转变成类巴基葱和类条带 结构．而在l150℃其结构转变成石墨结构。高压是这种转变的主要原因，高压可以促使 碳纳米管管结构的破裂，从而减小了它的热稳定性。
低维材料之碳纳米管共19页
• 碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型：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nm=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。
➢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↓）
四、碳纳米管物理化学性能
碳纳米管具有优异的 力学性能，高强度，韧性，伸长率，低密度，理想的增强体 热学性能，理论导热率达6600k/（Km）实验达3000 电学性能，近金属的电导率，可以做为半导体材料 磁学性能，吸波性能显著，频带宽 储氢性能，碳纳米管的中空结构，理论储氢量可达10％（重量比）
• 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。
三、碳纳米管的制备
(1）石墨电 基本原理：弧法：
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。
•
由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S
轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度。
• 碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的
100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性
模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想
• 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nm=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。
➢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↓）
四、碳纳米管物理化学性能
碳纳米管具有优异的 力学性能，高强度，韧性，伸长率，低密度，理想的增强体 热学性能，理论导热率达6600k/（Km）实验达3000 电学性能，近金属的电导率，可以做为半导体材料 磁学性能，吸波性能显著，频带宽 储氢性能，碳纳米管的中空结构，理论储氢量可达10％（重量比）
• 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。
三、碳纳米管的制备
(1）石墨电 基本原理：弧法：
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。
•
由于碳纳米管中碳原子采取SP2杂化，相比SP3杂化，SP2杂化中S
轨道成分比较大，使碳纳米管具有高模量和高强度。
• 碳纳米管具有良好的力学性能，CNTs抗拉强度达到50～200GPa,是钢的
100倍,密度却只有钢的1/6，至少比常规石墨纤维高一个数量级；它的弹性
模量可达1TPa，与金刚石的弹性模量相当，约为钢的5倍。对于具有理想
低维碳纳米材料结构性能及应用
低维碳纳米材料结构性能及应用姓名：李雄杰学号：20071050198专业：物理学摘要：：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。
关键词：低维碳纳米材料；结构性能；应用特性引言1.1.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：1.纳米粒子原子团如C60(零维)2.碳纳米纤维和碳纳米管(1维)3.碳纳米层或膜材料如石墨烯(2维)4.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，本文主要讨论的是C60，碳纳米管和石墨烯的结构性能及应用。
2.C的结构性能及应用602.1C60的结构C具有笼形结构，在物理及化学性质上可看作三维的芳香化合物，分子立体构型属60于D5h点群对称性，杂化类型为sp2．28有一定的sp3性质，三维大P键共轭形成碳笼。
C 60中20个正六边形和12一‘正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯(Fullerene)，因酷似足球又称作足球烯2.2C 60的主要性质及应用C 60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。