四材料三A 4980G016 賴心怡 奈米材料科技原理與應用 之 奈米碳管.

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1 四材料三A G016 賴心怡 奈米材料科技原理與應用 之 奈米碳管

2 前言 奈米碳管，與金剛石、石墨、富勒烯一樣，是碳的一種同素異形體。它是一種管狀的碳分子，管上每個碳原子採取SP2雜化，相互之間以碳-碳σ鍵結合起來，形成由六邊形組成的蜂窩狀結構作為奈米碳管的骨架。每個碳原子上未參與雜化的一對p電子相互之間形成跨越整個奈米碳管的共軛π電子云。按照管子的層數不同，分為單壁奈米碳管和多壁奈米碳管。管子的半徑方向非常細，只有奈米尺度，幾萬根奈米碳管並起來也只有一根頭髮絲寬，奈米碳管的名稱也因此而來。而在軸向則可長達數十到數百微米。

3 奈米碳管的性質 奈米碳管具有超常的強度、熱導率、磁阻，且性質會隨結構的變化而變化，可由絕緣體轉變為半導體、由半導體變為金屬；具有金屬導電性的奈米碳管通過的磁通量是量子化的，表現出阿哈諾夫－波姆效應（A-B效應）。

4 奈米碳管分子表面的凹凸現象。凹陷是由於七元環的影響，凸出則是由於五元環的影響。

5 力學性質 由於奈米碳管中碳原子採取SP2雜化，相比SP3雜化，SP2雜化中S軌道成分比較大，使奈米碳管具有高模量、高強度。奈米碳管的硬度與金剛石相當，卻擁有良好的柔韌性，可以拉伸。目前在工業上常用的增強型纖維中，決定強度的一個關鍵因素是長徑比，即長度和直徑之比。目前材料工程師希望得到的長徑比至少是20:1，而奈米碳管的長徑比一般在1000:1以上，是理想的高強度纖維材料。

6 電學性質 奈米碳管上碳原子的P電子形成大範圍的離域π鍵，由於共軛效應顯著，奈米碳管具有一些特殊的電學性質。
常用矢量Ch表示奈米碳管上原子排列的方向，其中 ，記為(n,m)。a1和a2分別表示兩個基矢。(n,m)與奈米碳管的導電性能密切相關。對於一個給定(n,m)的奈米管，如果有2n+m=3q（q為整數），則這個方向上表現出金屬性，是良好的導體，否則表現為半導體。對於n=m的方向，奈米碳管表現出良好的導電性，電導率通常可達銅的1萬倍。

7 碳奈米管上原子排列的方向常用矢量(n,m)表示。

8 奈米碳管的製備 電弧放電法(arc-discharge) 電弧放電法可製造高品質單壁及多壁奈米碳管。
1992年，首次成長高品質多壁奈米碳管。 1993 年，Bethune首先成功地使用含少量鈷催化劑在碳陽極，並大量合成單壁奈米碳管。

9 雷射剝蝕法(laser ablation)
利用電弧放電及雷射剝蝕法成長SWNT時均會出現富勒烯、含金屬顆粒多面體石墨顆粒及非晶質碳顆粒等副產物。 因此，SWNT的純化技術也同時研究出來，在硝酸溶液清洗一段時間後，燃燒非晶質碳及去除金屬催化劑而得高品質單壁奈米碳管。 Smalley 研究群所使用的雷射剝蝕法裝置簡圖

10 化學氣相沉積法 (CVD) 化學氣相沉積法實驗裝置示意圖 讓氣態烴通過附著有催化劑微粒的模板，在800~1200度的條件下，氣態烴可以分解生成奈米碳管。這種方法突出的優點是殘餘反應物為氣體，可以離開反應體系，得到純度比較高的奈米碳管，同時溫度亦不需要很高，相對而言節省了能量。但是製得的奈米碳管管徑不整齊，形狀不規則，並且在製備過程中必須要用到催化劑。目前這種方法的主要研究方向是希望通過控制模板上催化劑的排列方式來控制生成的奈米碳管的結構，已經取得了一定進展。

11 奈米碳管的應用 平面顯示器 前面所提及碳管場發射特性，由於其具有相當優異的場發射特性(低起始電場、高電流密和高機械強度)，因此在陰極射線管平面化上具有相當高的使用價值。奈米碳管的場發射特性比鑽石薄膜及金屬尖場發射來得好，且其屬奈米尺度材料，可有效的減少空間及重量，因此CRT平面化已不是夢。

12 微電子元件 以矽為基礎的半導體元件無法持續地微小化，據推測以奈米碳管為基礎的元件非常有潛力取代之。 無線通訊 奈米碳管具有良好的場發射特性以及安定的碳原子結構，美國Lucent Technology 正在研究利用碳奈米管來產生微波的可能性，未來希望能在無線通訊領域上應用。

13 燃料電池 對電動汽車用之燃料電池而言，儲氫是一亟須突破的研究課題。根據美國National Renewable Energy Laboratory與IBM的合作研究指出，單壁奈米碳管的吸氫能力超越活性碳許多，而且能在常溫下運作。其中管徑為2 nm 的單壁奈米碳管的儲氫能力約為350 kg - H2/m ，在目前已開發的所有儲氫材料中，最為接近美國能源部所制定的電動汽車儲氫材料商業化標準365 kg -H2/m 。

14 鋰離子電池 目前的鋰離子電池已經利用石墨來作為儲存鋰離子的正極材料，而且已經商品化，但是電極材料仍有可改進的空間，因為在石墨的結構中，每六個碳原子可存一個鋰離子，如果碳奈米管的管內外一併利用，則每六個碳原子可儲存的鋰離子數便可大增，進而使得所儲存的電能增加。 其 他 原子力顯微鏡(AFM)探針 電晶體和電子元件之導線上

15 END