碳纳米管材料及应用

碳纳米管自发现以来，由于其独特的结构和奇特的物理，化学和力学特性以及其潜在的应用前景而倍受人们的关注。本文介绍近年来这一前沿研究领域所取得的部分重要研究进展，并讨论碳纳米管的几种应用前景。     

纳米材料的一支新军—碳纳米管

纳米材料是指介于小团簇(microcluster)与大块物质之间的一种过渡状态.由于其本身尺寸在纳米(nm)量级而具有许多特性,例如量子尺寸效应、表面界面效应等.这些特性使它在科学研究和国民经济中起着或即将起着重要的作用.正当各种各样的纳米材料通过物理、化学方法制备成功并进行广泛研究和应用之时,纳米材料的一支新军——碳纳米管诞生了. 碳纳米管或布基管是近两年在研究碳团簇及富勒烯过程中发现的一种新型的纳米材料.它由纯碳元素组成,是由类似石墨六边形网格翻卷而成的管状物,管子两端一般也是由含五边形的半球面网格封口.碳纳米管尺寸一…     

碳纳米管及新型一维碳纳米功能材料

 近年来迅猛发展的纳米科技在化学、生物医学、材料学、电子学等领域取得了一系列令人瞩目的成果。纳米材料的尺寸效应、表面效应、量子效应，使其在磁、光、电、敏感等方面呈现出常规材料不具备的新奇性质，具有广阔的应用前景。碳纳米材料的研究也成为当前国际上最活跃的前沿领域之一，中国科学院已将碳纳米材料列为知识创新工程首批启动的重大项目之一。     

碳纳米管列阵研究的新进展

碳纳米管的研究是近几年来低维凝聚态物理研究的国际前沿之一，定向碳纳米管列阵的制备更是物理学界、材料科学界共同关心的问题，文章介绍了利用内镶嵌纳米催化粒子的介孔二氧化硅所具有的模板效应，并结合气相化学沉积的方法成功地制备出高密度、几乎无杂质的、均匀分布的，管径一致的碳纳米管列阵这一最新进展。     

非碳纳米管研究的新进展

文章系统地论述了非碳纳米管的制备,较详尽地介绍了多种非碳纳米管制备最新的进展,包括硫化物、氮化物、氧化物等等,特别重点地总结了非碳纳米管前沿材料,例如WS2,Bi2S3,ZnS,GaN,BN,AlN,InP,Eu2O3,V2O3等.最后对非碳纳米管的研究趋势作了展望.     

碳纳米管的变温场发射

考察了温度变化对沉积在钨丝针尖上的碳纳米管场发射的影响，发现碳纳米管场发射电流随温度升高而增大，场发射电流的稳定性基本没有变化. 多根碳纳米管的场发射特性随温度变化出现偏离Fowler-Nordheim理论的现象，这种现象可能来自碳纳米管的不均匀性.     

手性环状碳纳米管的电子结构及磁化特性

基于石墨平面π电子的紧束缚模型,导出了手性(chiral)环状碳纳米管(TCNTs)在磁场中的电子结构,从而对TCNTs量子特性和磁化规律进行了较深入研究.第Ⅰ,Ⅱ类TCNTs在磁场中存在金属—半导体的连续转变.计算分析表明:在T=0K时,第Ⅰ,Ⅱ类TCNTs的磁化强度随磁通量Φ呈线性周期性变化(以磁通量子Φ₀=h/e为周期),并且磁化强度对手性角θ、管口半径r,以及温度T极为敏感,但与环半径R无关.手性TCNTs的磁化强度比椅形或锯齿形TCNTs的磁化强度强很多;而第Ⅲ类TCNTs 关键词： 手性环状碳纳米管 电子结构 磁化特性     

锯齿型碳纳米管的结构衍生及电子特性

利用密度泛函理论研究锯齿型单、双壁碳纳米管从核到管状团簇直至纳米管的逐层结构衍生.研究结果表明五边形结构在管状团簇生长中发挥关键作用.此外,基于管状团簇的研究,运用周期性边界条件得到锯齿型单、双壁碳纳米管,并通过计算能带和态密度研究其电子特性.对单壁(n,0)和双壁(n,0)@(2n,0)碳纳米管,当n=3q(q为整数)时,具有金属或窄带隙半导体特性;n?=3q时,具有较宽带隙半导体特性,且带隙随管径的增加而减小.然而,小管径碳纳米管受曲率效应的明显影响,n?=3q的(4,0),(4,0)@(8,0)和(5,0)@(10,0)均呈现金属性;n=3q的(6,0)@(12,0)则表现出明显的半导体特性.     

碳纳米管的生长机理、可控生长及应用探索

碳纳米管的可控制生长,及其宏观尺度结构的制备,对于碳纳米管的应用具有重要的意义,为了实现准确的生长控制,对碳纳米管生长机理的深入了解是不可缺少的前提条件.文章介绍了我们近年来在碳纳米管生长机理、可控生长及其应用方面的一些进展.通过引入13C标记法,我们证实了化学气相沉积法中碳纳米管以析出模式生长;实时改变生长的气相成份和流量,可以在碳纳米管阵列上留下标记序列,并据此测量出其生长速率及活化能.将超顺排碳纳米管阵列的合成扩展到4英寸规模,并发展了用挥发性有机溶剂处理碳纳米管线的方法,大大提高了其强度和可操作性.处理后的碳纳米管线可以方便地用于热电子源、高电流密度冷阴极以及荧光灯等.热界面材料在IT产业中具有重要的应用背景,我们用碳纳米管阵列制备的复合材料具有极高的热导率和极低的界面热阻,同时发展了化学修饰、端部剪裁、金属集热层等新技术以制备高性能的碳纳米管热界面材料.     

碳纳米管的生长机理、可控生长及应用探索

碳纳米管的可控制生长,及其宏观尺度结构的制备,对于碳纳米管的应用具有重要的意义,为了实现准确的生长控制,对碳纳米管生长机理的深入了解是不可缺少的前提条件.文章介绍了我们近年来在碳纳米管生长机理、可控生长及其应用方面的一些进展.通过引入^13C标记法,我们证实了化学气相沉积法中碳纳米管以析出模式生长;实时改变生长的气相成份和流量,可以在碳纳米管阵列上留下标记序列,并据此测量出其生长速率及活化能.将超顺排碳纳米管阵列的合成扩展到4英寸规模,并发展了用挥发性有机溶剂处理碳纳米管线的方法,大大提高了其强度和可操作性.处理后的碳纳米管线可以方便地用于热电子源、高电流密度冷阴极以及荧光灯等.热界面材料在IT产业中具有重要的应用背景,我们用碳纳米管阵列制备的复合材料具有极高的热导率和极低的界面热阻,同时发展了化学修饰、端部剪裁、金属集热层等新技术以制备高性能的碳纳米管热界面材料.     

碳纳米管吸附铜原子的密度泛函理论研究

采用密度泛函方法对铜原子在有限长（5,5）椅型单壁碳纳米管的吸附行为进行了研究.计算结果表明,铜原子吸附在管外壁要比吸附在管内壁能量上更为有利,在管外壁碳原子顶位吸附最佳,属于明显的化学吸附.且用前线轨道理论对其成键特性进行了分析,表明在顶位吸附时主要由铜原子的4s轨道电子与碳纳米管中耦合的σ-π键形成新的σ键.此外还对比计算了两种典型位置电子密度,发现顶位吸附的成键中有更大的电子云重叠.进一步表明在某些情况下铜碳原子可以成键. 关键词： 碳纳米管 铜原子 成键特性     

碳纳米管在储氢上的应用

氢能是一种理想的能源载体,而经济有效的储氢手段是氢能实现规模应用急需解决的关键问题之一。碳纳米管在存储氢气上表现出来的独特性质,使其最有希望成为一种新的高效的储氢材料。从实验、理论研究两个方面总结了前人在碳纳米管储氢上的研究成果,并对碳纳米管储氢吸附方式,吸附量影响因素等方面做出分析。最后指出为实现碳纳米管储氢大规模应用仍需做的一些基础性研究工作。     

亚纳米碳管的稳定性—碳纳米管到底可以小到多小

在200kV电子显微镜中高能电子束的诱发下合成出直径为0．33nm的碳管,利用基于量子力学的紧束缚分子动力学方法研究了直径从0．16nm至1．0nm的亚纳米碳管的稳定性。     

碳纳米管-聚乙烯复合材料界面力学特性分析

本文采用分子动力学模拟办法对碳纳米管-聚乙烯复合材料的界面力学特性进行了模拟和分析. 通过对单壁碳纳米管从无定形聚乙烯中抽出过程进行模拟, 研究了界面剪切应力随碳管滑移速度、聚乙烯分子链长和碳纳米管管径之间的变化关系, 并对界面的滑移机理进行了讨论. 模拟结果发现, 随着聚合物分子链长的增加, 界面临界剪切应力有显著增大, 而滑移剪切应力略显增加; 界面临界剪切应力和滑移剪切应力随着碳纳米管管径的增大而明显增加. 本文同时对界面应力的变化机理进行了模拟和讨论.     

SnO2-碳纳米管复合纳米材料催化发光传感器测定甲醇

以碳纳米管（CNT）为模板，采用液相沉积法合成了SnO2-CNT复合纳米材料。建立了一种SnO2-CNT复合纳米材料测定甲醇的纳米催化发光传感船，并测定了甲醇含量，甲醇的线性范围在50-3000ppm，探讨了SnO2-CNT复合纳米材料催化发光传感器测定甲基叔丁基醚（MTBE）中甲醇的可行性。     

单壁碳纳米管膜及其三聚氰胺甲醛树脂复合材料的光电特性

单壁碳纳米管能够强烈吸收光线,尤其是在近红外区域,并能将光能转换成热能.同时,单壁碳纳米管还具有相当大的将热能转换成电能的能力.通过真空过滤方法,将由化学气相沉积生成的单壁碳纳米管阵列制备成单壁碳纳米管膜.根据研究的需要设计了一个简单的单壁碳纳米管膜光伏性质测试实验装置,并在其两端成功地实现了由红外光转换为电压输出.通过功能化步骤,制备了单壁碳纳米管/三聚氰胺甲醛树脂复合材料膜,实验结果表明该复合材料能产生符号相反的输出电压.这预示着单壁碳纳米管及其三聚氰胺甲醛树脂复合材料在光电领域具有良好的应用前景.     

我国功能材料研究进展——记第三届中国功能材料及其应用学术会议

第三届中国功能材料及其应用学术会议于１９９８年１０月３日至１７日在重庆市召开．本届会议由中国仪器仪表学会仪表材料分会与从事功能材料研究与开发的有关兄弟学会、高等院校和研究院所等２５个单位联合主办．会议共征集论文５３７篇,其中４５６篇编入会议论文集．会...     

Kondo效应对磁杂质碳纳米管电输运特性的影响

从碳纳米管中Kondo效应的影响出发, 在有限温度下采用Anderson模型表征碳纳米管/磁杂质系统, 利用Landauer公式对磁杂质碳纳米管的电导和热电势进行研究, 得出和实验结果一致结论. 关键词： Kondo效应 碳纳米管 电输运特性     

开口悬挂端对单壁碳纳米管电子输运特性的影响

采用紧束缚模型研究了悬挂端对单壁碳纳米管电子输运特性的影响.结果表明：有限长悬挂端开口碳纳米管的电导在费米能级附近作周期性振荡.椅型(armchair)碳纳米管的振荡同时具有快、慢两个准周期，而锯齿型(zigzag)碳纳米管的振荡仅有一个周期；碳纳米管电导在费米能级附近的振荡周期随着悬挂端的增长而减小.研究还发现：有限长悬挂端开口碳纳米管的平均电导随探针与碳纳米管间耦合强度的增加而增大，其大小约为无限长悬挂端开口碳纳米管平均电导的两倍. 关键词： 输运特性 碳纳米管 紧束缚模型     

4A碳纳米管及相关结构的嵌锂特性(英文)

碳纳米管独特的一维结构和强烈的卷曲效应为外来原子提供了理想的嵌入通道。本文全面总结了近年来我们对直径仅为4A的三种单壁碳纳米管嵌锂特性的密度泛函研究工作。我们具体讨论了体系嵌锂后的结构、能量、电子、电化学等特性。由于这些超小直径的碳纳米管最初合成于沸石晶体的纳米管道,我们也讨论了碳纳米管?沸石晶体复合体系的嵌锂特性。另外,我们还研究了由(5,0)和(14,0)碳纳米管组成的双壁碳纳米管体系的嵌锂特性。我们的理论计算表明,超小直径碳纳米管及相关结构作为锂离子电池负极材料具有很好的应用前景。