奈米碳管

采用

不同類型可依據(jù)一個(gè)碳奈米管的單胞來(lái)進(jìn)行解釋，圖六中示出的OAB’B方框?yàn)樘寄蚊坠艿囊粏伟?span id="j9zbs1j" class="show-img-hd" style="width:220px;height:146px;">

當(dāng)石墨片卷起來(lái)形成奈米管的圓筒部分，手性矢量的端部彼此相重，手性矢量形成了奈米管圓形橫截面的圓周，不同的m和n值導(dǎo)致不同奈米管結(jié)構(gòu)。

碳奈米管的性能由它們的直徑和手性角來(lái)確定，而這兩個(gè)參數(shù)又取決于n和m值，直徑為石墨片上近鄰碳原子的間距，當(dāng)n=m,時(shí)形成單臂奈碳管(armchairnanotube)

n=0或m=0,則為鋸齒形奈碳管(zigzagnanotube)

n=0或m=0,時(shí)則為手性奈碳管(chiralnanotube)

奈米碳管可為金屬性或半導(dǎo)體的，有1/3小直徑的CNT是金屬的，而其余為半導(dǎo)體。一般當(dāng)(n-m)=3i(i為整數(shù)值)時(shí)，這種(n,m)奈米碳管為金屬性的，所有的單臂CNT是金屬性的，手性和鋸齒奈米管中，部份為金屬性，部份為半導(dǎo)體性。

碳奈米管具有與金剛石相同的導(dǎo)熱和獨(dú)特的力學(xué)性質(zhì)，其抗張強(qiáng)度比鋼的高100倍；楊氏模數(shù)高達(dá)1TPa左右；延伸率達(dá)百分之幾，并具有良好的可彎曲性；單壁奈米碳管可承受扭轉(zhuǎn)形變并可彎成小圓環(huán)，應(yīng)力邱除后可完全恢復(fù)到原來(lái)狀態(tài)；壓力不會(huì)導(dǎo)致碳奈米管的斷裂，這些十分優(yōu)良的力學(xué)性能使它們有潛在的應(yīng)用前景，例如，它們可用作復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。

奈米碳管是在碳簇研究的剌激之下而誕生的,是只由碳原子所形成的碳的新物質(zhì)。

奈米級(jí)的圓筒狀結(jié)構(gòu)，具有特微為碳原子螺旋狀排列之一般物質(zhì)沒有的特征。

因此，它表現(xiàn)出電的特性、拉張強(qiáng)度、復(fù)原性、熱導(dǎo)性等等優(yōu)異的特征，從基礎(chǔ)科學(xué)到工業(yè)的應(yīng)用遍及廣泛的領(lǐng)域，皆受到學(xué)者相當(dāng)大的注意，因此研究有突飛猛進(jìn)的發(fā)展。

在奈米材料里，奈米碳管(見圖一)是最知名的一種

圖二C-60分子結(jié)構(gòu)圖

一九九一年一月，日本NEC公司基礎(chǔ)研究實(shí)驗(yàn)室的飯島澄男用碳電弧放電法合成碳六十分子時(shí)，發(fā)現(xiàn)一些針狀物，利用高解析穿透式電子顯微鏡(HighResolutionTransmissionElectronMicroscope,HR-TEM)觀察這些針狀物，發(fā)現(xiàn)針狀物為奈米級(jí)大小的多層同軸中空的碳管，現(xiàn)在我們稱之為多層奈米碳管(MultiwallCarbonNanotube,MWCNT，圖四)。

爾后一九九三年，又發(fā)現(xiàn)單層奈米碳管(SinglewallCarbonNanotube,MWCNT，圖一)。飯島澄男的重要發(fā)現(xiàn)馬上引起各國(guó)、各個(gè)科技方面的研究人員的注目，從而探討了解奈米碳管的特殊結(jié)構(gòu)與優(yōu)良性質(zhì)。

(一) 制程種類

(1) 電弧放電法(ElectricArcDischarge)

(2)雷射蒸發(fā)法(LaserAblation)

(3) 化學(xué)氣相沈積法(ChemicalVaporDeposition)

(a) ThermalCVD

(b) MPECVD(MicrowavePlasmaEnhanceCVD)

(c) ECRCVD(ElectrocycrotonResonanceCVD)

(二) CVD成長(zhǎng)機(jī)制

(三) 各種制程比較

目前奈米碳管的合成技術(shù)包括號(hào)放電法、電射濺鍍法(laserablation)、化學(xué)氣相沈積法(chemicalvapordeposition,CVD)等。其中利用CVD來(lái)合成奈米碳管所需的溫度較低，且可進(jìn)行選區(qū)尋址成長(zhǎng)，并可整合制造場(chǎng)發(fā)射器所需之其它結(jié)構(gòu)以及控制電路，目前為制作奈米碳管場(chǎng)發(fā)射顯示器最主要的技術(shù)之一。由于選區(qū)尋址成長(zhǎng)技術(shù)是制造奈米碳管場(chǎng)發(fā)射器所必須，因此也成為目前極為熱門的研究重點(diǎn)之一。

由于奈米碳管的彈性極高，其張力強(qiáng)度比鋼絲強(qiáng)上百倍，但重量卻極輕，且兼具金屬的性質(zhì)與半導(dǎo)體的性質(zhì)，故奈米碳管的應(yīng)用范極廣，可以用作電路中的連接件、可以用作電路開關(guān)、可用在平面顯示器等。奈米碳管的發(fā)現(xiàn)者飯島澄男預(yù)估：二００五年至二０一０年左右就可制造出省電、厚度僅數(shù)公厘的大面奈米碳管顯示器。

預(yù)期在五年至十年內(nèi)，奈米碳管電池也將開發(fā)出來(lái)，奈米碳管具有極高儲(chǔ)存電力，但極輕的重量，可改善現(xiàn)有電池所有的缺點(diǎn)，如同電池工業(yè)的一場(chǎng)革命，未來(lái)對(duì)電動(dòng)汽車工業(yè)極有幫助。

二０一０年左右，以硅為材料的微米級(jí)電子電路技術(shù)將走到盡頭，奈米碳管將成為替代硅和其它半導(dǎo)體材料的最佳材料，可以開發(fā)出比現(xiàn)有傳輸速度與密度高五十倍至一百倍，且省電效益高五十倍至一百倍的電子設(shè)備。

如何制造一個(gè)不易損壞、耐用的探針是奈米產(chǎn)業(yè)的另一課題，目前己有人用奈米碳管為探針，因?yàn)槟蚊滋脊艿膹椥詷O高不易折損，且導(dǎo)電性高不易起化學(xué)變化，為理想的探針材料之一。

另外，碳六十似乎也為艾滋病帶來(lái)一線曙光，碳六十的足球狀化學(xué)結(jié)構(gòu)的鍵結(jié)，能快速地與HIV病毒結(jié)合，減低毒素與阻止HIV病毒擴(kuò)散，這將促使生技醫(yī)藥公司開發(fā)新的碳六十藥物

如果奈米碳管生產(chǎn)成本降到每公克三十三美元，且年產(chǎn)量可達(dá)一噸，將可供應(yīng)產(chǎn)值達(dá)數(shù)十億美元的計(jì)算機(jī)及電視顯示器。如果價(jià)格降到每公克二十二美元，則更多產(chǎn)業(yè)都能運(yùn)用奈米碳管，例如可做雷達(dá)無(wú)法偵測(cè)的隱形飛機(jī)的機(jī)殼。如果降到四．四美元，則可運(yùn)用于一般日常生活用品，例如手機(jī)、筆記型計(jì)算機(jī)、PDA的屏幕。

日本2003年奈米科技大會(huì)(Nanotech2003)，會(huì)中約有近200家廠商、400個(gè)攤位介紹各項(xiàng)奈米技術(shù)研發(fā)與應(yīng)用現(xiàn)況，其中也不乏許多碳奈米管的研發(fā)與應(yīng)用實(shí)例，例如日本產(chǎn)業(yè)技術(shù)總合研究所(AIST)的NoritakeItronCorp.在展示會(huì)場(chǎng)中展示全世界首座40吋的碳奈米管場(chǎng)發(fā)射顯示器(CNT-FED)。

藉由發(fā)展CNT-FED技術(shù)，除了不僅保留傳統(tǒng)陰極射線影像的質(zhì)量，并具有省電及薄型(厚度可僅數(shù)公厘)等優(yōu)點(diǎn)，未來(lái)再結(jié)合碳奈米管其它特性，則有機(jī)會(huì)發(fā)展成為兼具低驅(qū)動(dòng)電壓、高發(fā)光效率、低成本、視角大及省電的大尺寸全新平面顯示器。在儲(chǔ)能材料的應(yīng)用上也是碳奈米管最近相當(dāng)熱門的研發(fā)重點(diǎn)，根據(jù)研究指出，未來(lái)不管在鋰離子電池或是汽車燃料電池等用途上，一旦可以成功開發(fā)出以碳奈米管為材料基質(zhì)的相關(guān)組件，將可發(fā)揮比目前大數(shù)十倍之儲(chǔ)能效果。

2002年北加州大學(xué)ChapelHill的物理學(xué)家與AppliedNanotechnology公司的研究人員利用碳奈米管數(shù)組(carbonnanotubearray)制造出新一代的X光源。由于這個(gè)數(shù)組可以在室溫底下操作，因此整個(gè)儀器的操作溫度遠(yuǎn)低于現(xiàn)有的設(shè)計(jì)，而且體積也大幅縮小。此外，研究人員也發(fā)現(xiàn)新的X光源具有更優(yōu)良的聚焦性、更短的反應(yīng)時(shí)間，X光脈沖的波形也可以根據(jù)需要而加以修改，以利于追蹤移動(dòng)的目標(biāo)。

IBM于紐約的實(shí)驗(yàn)室在2001年六月利用奈米碳管制作出NOT邏輯閘。同年，美國(guó)哈佛大學(xué)CharlesLieber等人利用奈米金屬線等建構(gòu)了類似的邏輯運(yùn)算電路。不同的是，Lieber等人對(duì)其所使用的奈米線的電性有較好的控制，其利用硅和氮化錠生成P型和N型的奈米金屬線，然后將兩條奈米金屬線相互交錯(cuò)，交錯(cuò)點(diǎn)便相當(dāng)于一顆晶體管，然后再將這些晶體管聯(lián)結(jié)起來(lái)形成邏輯運(yùn)算電路。不同于傳統(tǒng)邏輯運(yùn)算電路所使用的Topdown微影蝕刻的制造方式，Lieber等人乃是利用Bottomup組裝的方式來(lái)制備組件，這樣的方式將有助于大量制造和測(cè)試其所生產(chǎn)出來(lái)的電路。

此外，由于奈米碳管具有高長(zhǎng)徑比(aspectratio)、尖端曲率半徑小、高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、低啟動(dòng)電場(chǎng)的高發(fā)射電流等特性，目前被視為絕佳且最有潛力的場(chǎng)發(fā)射顯示器材料，由于單壁奈米碳管的平均直徑約在1~2nm，若使用單壁奈米碳管來(lái)做為制造陰極場(chǎng)發(fā)射顯示器的材料，則其將會(huì)是相當(dāng)尖銳的理想電子發(fā)射源，場(chǎng)發(fā)射閥值可降低到10V左右，產(chǎn)生較低能耗的新型平板場(chǎng)發(fā)射顯示器。圖六為單壁奈米碳管顯示器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖六(a)單壁奈米碳管顯示器結(jié)構(gòu)示意圖(b)場(chǎng)發(fā)射器放大圖

當(dāng)物理尺寸到達(dá)奈米等級(jí)時(shí)，電子的充放電過(guò)程便不再是連續(xù)的，而是量子化的。電子必須單個(gè)單個(gè)電子進(jìn)行傳輸，充入單個(gè)電子的能量被稱之為庫(kù)倫阻絕能，而此種在奈米尺度下單個(gè)單個(gè)電子傳輸?shù)奶匦员惚环Q為庫(kù)倫阻絕效應(yīng)。單電子晶體管的中心島可以由單個(gè)分子組成，如液晶分子、碳六十、奈米碳管等，圖七分別為以奈米碳管和碳六十為中心島的實(shí)例。

碳納米管，與金剛石、石墨、富勒烯一樣，是碳的一種同素異形體。

碳納米管(英文Carbon Nanotube，縮寫CNT)是在1991年1月由日本筑波NEC實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家飯島澄男使用高分辨透射電子顯微鏡從電弧法生產(chǎn)的碳纖維中發(fā)現(xiàn)的。它是一種管狀的碳分子，管上每個(gè)碳原子采取sp2雜化，相互之間以碳-碳σ鍵結(jié)合起來(lái)，形成由六邊形組成的蜂窩狀結(jié)構(gòu)作為碳納米管的骨架。每個(gè)碳原子上未參與雜化的一對(duì)p電子相互之間形成跨越整個(gè)碳納米管的共軛π電子云。按照管子的層數(shù)不同，分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。管子的半徑方向非常細(xì)，只有納米尺度，幾萬(wàn)根碳納米管并起來(lái)也只有一根頭發(fā)絲寬，碳納米管的名稱也因此而來(lái)。而在軸向則可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十到數(shù)百微米。

碳納米管不總是筆直的，局部可能出現(xiàn)凹凸的現(xiàn)象，這是由于在六邊形結(jié)構(gòu)中混雜了五邊形和七邊形。出現(xiàn)五邊形的地方，由于張力的關(guān)系導(dǎo)致碳納米管向外凸出。如果五邊形恰好出現(xiàn)在碳納米管的頂端，就形成碳納米管的封口。出現(xiàn)七邊形的地方碳納米管則向內(nèi)凹進(jìn)。作為一種高品質(zhì)的納米材料，由于碳納米管的結(jié)構(gòu)與石墨的片層結(jié)構(gòu)相同，所以具有很好的電學(xué)性能，為發(fā)展新型直接電化學(xué)酶?jìng)鞲衅魈峁┝丝赡苄浴?

碳納米管的分子結(jié)構(gòu)決定了它具有一些獨(dú)特的性質(zhì)。由于巨大的長(zhǎng)徑比(徑向尺寸在納米量級(jí)，軸向尺寸在微米量級(jí))，碳納米管表現(xiàn)為典型的一維(1D)量子材料，它的電子波函數(shù)在管的圓周方向具有周期性，在軸向則具有平移不變性，大大純化了理論工作，并做出了一些預(yù)言。理論預(yù)言，碳納米管具有超常的強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、磁阻，且性質(zhì)會(huì)隨結(jié)構(gòu)的變化而變化，可由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)榘雽?dǎo)體、由半導(dǎo)體變?yōu)榻饘?具有金屬導(dǎo)電性的碳納米管通過(guò)的磁通量是量子化的，表現(xiàn)出阿哈諾夫-波姆效應(yīng)(A-B效應(yīng))。

場(chǎng)發(fā)射顯示器

過(guò)去FED在發(fā)展上遭遇頗多瓶頸，但是從奈米碳管技術(shù)應(yīng)用逐漸浮上樓面，而CANON與TOSHIBA兩家公司也合資以SED技術(shù)進(jìn)行開發(fā)的種種跡象看來(lái)，F(xiàn)ED的未來(lái)仍有其潛力。

各種平面顯示器技術(shù)在畫質(zhì)、成本等皆取代CRT為發(fā)展的目標(biāo)，而場(chǎng)發(fā)射顯示器（Field emission display,FED）則以CRT技術(shù)的延伸來(lái)發(fā)展，意圖以CRT的優(yōu)點(diǎn)來(lái)?yè)屨即艘皇袌?chǎng)，雖然在概念上雖有與CRT類似之處，但由于在結(jié)構(gòu)、材料上與CRT技術(shù)完全不同，因此發(fā)展起來(lái)的仍遭遇許多瓶頸。不過(guò)在使用奈米碳管技術(shù)應(yīng)用在場(chǎng)發(fā)射顯示技術(shù)上逐漸有較大的突破與發(fā)展，再加上Canon與Thoshiba利用表面?zhèn)鲗?dǎo)發(fā)射電子的理論發(fā)SED技術(shù)，于2004年月10月合資成立新公司從事SED面板的開發(fā)、制造與銷售，預(yù)計(jì)于2005年8月開始量產(chǎn)，讓人期待FED技術(shù)的新轉(zhuǎn)機(jī)。