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碳纳米管

自1991年碳纳米管被发现以来，碳纳米管由于其独有的结构和奇特的物理、化学特性以及其潜在的应用前景而受到人们的关注。碳纳米管是由石墨中的的碳原子卷曲而成的管状的材料，管的直径一般为几纳米（最小为1纳米左右）到几十纳米，管的厚度仅为几纳米。实际上，碳纳米管可以形象地看成是类似于极细的铁丝网卷成的一个空心园柱状的长“笼子”。碳纳米管的直径十分微小，十几万个碳管排起来才有人的一根头发丝宽；而碳纳米管的长度却可到达一百微米，从某种意义上看，它是一种很好的、最细的纤维。图中表示出碳纳米管的形成和结构。

碳纳米管的形成和结构

根据组成碳纳米管管壁中碳原子层的数目，碳纳米管可被分为单层碳管和多层碳管。作为一种新的材料，碳纳米管的强度比钢高100多倍，杨氏模量被估计为可高达1 TPa，而比重却只有钢的1/6；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软。它被认为是未来的“超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料。碳纳米管导电性十分有趣，它可具有很好的金属导电性（椅型碳管），也可具有半导体性。因此，它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，将来可能代替硅芯片，引起计算机技术的革命。碳纳米管的顶端很锐，非常有利于电子的发射。它可用做电子发射源，推动壁挂电视的发展。总而言之，碳纳米管的潜在的用途广泛。但就目前的研究水平来看，它离实际应用还有相当远的距离。

目前，人们可以用电弧放电法、激光蒸发法和有机气体催化热解法来大量制备碳纳米管。 但从碳纳米管的基本性质研究和实际应用要求来看，碳纳米管的制备技术仍存在三个方面的难题： 第一，目前的样品多呈杂乱分布，碳纳米管之间相互缠绕，难以分散；第二，用电弧放电法制备的碳纳米管被烧结成束，束中还存在很多非晶碳等杂质，这样使得测量的各种物理和化学性质的结果比较分散，在导电性质和力学性质方面的测量结果与理论估计值相差甚远；第三，目前制备的碳纳米管的长度只有几十微米，只能用扫描隧道显微镜和原子力显微镜等非常规方法来测量其物理性能，这给实验测量带来极大困难。 因此，制备出离散分布的高质量碳纳米管，成为人们追求的目标之一。

在国家项目的支持下，从1992年起，中国科学院物理所的研究小组追踪国际前沿，分别利用放电法和化学方法制备出碳纳米管。此后，他们根据国内、外发展的动态，制定出了研制离散分布的定向碳纳米管列阵的科学目标和技术路线，并获得了国家自然科学基金委员会的基金支持。经过3年的努力，1995年，发明了一种在孔内含有纳米催化剂颗粒的、多孔的二氧化硅的衬底上生长定向碳纳米管的方法（已获中国发明专利），终于制备出大面积、高密度、离散分布的定向碳纳米管。管径均匀为20纳米，管间距为100纳米，管长约为100微米。

表明大面积、高密度、离散分布的定向碳纳米管的形貌。

这一研究工作，于1996年在国际学术刊物“Science”上发表（W.Z.Li,S.S.Xie，et al,Science, 274(1996) 1701）,被国内、外学者认为在碳纳米管定向（模板）生长，取得了重大的进展。美国的“研究与开发探视周刊”（INSIDE R$D,25,No.51(1996)）评论为“北京的物理学家建立了一种有效的制备大面积、高密度、离散分布的定向碳纳米管的方法”。这一研究成果已得到国内、外的认可，已被SCI文章引用72次，有关内容被写入碳纳米管的专著。在此方向上，改进了多孔 SiO2基底和生长工艺，使得碳纳米管的生长模式从底部生长转变成顶部生长。 生长出长度达2 mm 的超长定向碳纳米管列阵，其长度比现有纳米管的长度提高了1～2 个数量级。这一工作发表在国际学术刊物

“Nature”( Z.W.Pan,S.S.Xie et al,Nature 394(1998) 631),受到国内外学者的普遍关注。“长碳纳米管的问世”标志着我国科学家在碳纳米管合成方法上，实现了管径、分布和生长模式的可控生长。

超长碳纳米管的SEM形貌

此图表明超长定向碳纳米管列阵中，除少量碳管轻微弯曲或缠绕外，大多数碳管由基底表面垂直向上生长，从而形成高密度、离散分布的定向碳纳米管列阵。 碳管的外径均匀一致，其尺寸范围为20～40 nm；管与管之间的间距约为100 nm。 碳管的内径尺寸在10～15 nm 之间； 碳管的石墨化程度较高，仅在管的外层附着少量的非晶碳； 碳纳米管列阵很容易从基底上取下，从而得到纯净的、开口的定向碳纳米管列阵（见下图）。

图中自基底上分离后，超长碳纳米管列阵的SEM形貌，所有碳管都是开口的 超长碳纳米管列阵的成功制备使得用常规实验方法对其进行测试成为可能，这对碳纳米管的基本性质研究和实际应用都有重要意义。目前，在科技部、中国科学院和国家自然科学基金委员会的基金支持下，他们和合作者，正积极开展对超长碳纳米管的力学、电学、场发射等特性进行研究，并取得了满意的进展。