碳纳米管及相关的一维纳米材料<%=id%>

摘要:一维纳米材料在纳米电子学、纳米光电子学、超高密度存储和扫描探针显微镜等领域具有潜在的应用前景。碳纳米管的发现为人们提供了一种典型的一维纳米材料，并已为其它一维纳米材料的制备开辟了新的途径。碳纳米管的制备有电弧放电法、脉冲激光蒸发法和化学气相法。由于化学气相法制备碳纳米管具有反应过程可控性强、生成物纯度高和容易实现大规模工业化生产等优点，因而受到广泛重视。实验证明，在硅衬底上生长规则的碳纳米管阵列是可能的，而且这些工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容，这为碳纳米管部件与硅器件的集成提供了可能。利用碳纳米管的填充、包敷和限制反应可合成其它材料的一维纳米结构。如具有低表面张力的材料可通过填充方法制成一维纳米线。通过改变镀液成分，用碳纳米管化学镀膜的方法可制备出种类广泛的一维纳米线。利用碳纳米管限制反应制备氧化镓一维纳米晶等，碳纳米管及相关的一维纳米材料已显示出许多独特的性质和潜在的应用前景。
    一维纳米材料在纳米电子学、纳米光电子学、超高密度存储和扫描探针显微镜等领域具有潜在的应用前景。然而一维纳米材料的制备仍然是一个面临挑战的课题。碳纳米管的发现为人们提供了一种典型的一维纳米材料，并已为其它一维纳米材料的制备开辟了新的途径。
    1碳纳米管及其制备技术：碳纳米管的制备有电弧放电法、脉冲激光蒸发法和化学气相法。化学气相法制备碳纳米管具有反应过程可控性强、生成物纯度高和容易实现大规模工业化生产等优点，因而受到广泛重视。
    在纳米氧化铝颗粒表面包敷氧化铁或其他过渡金属的氧化物可制成高效催化剂，在化学气相法中利用这种催化剂既可合成单壁碳纳米管，也可合成多层碳纳米管。我们的实验表明，乙烯在700-800℃之间催化热解可合成多层碳纳米管，而甲烷在900-1000℃之间催化热解可合成单壁碳纳米管。催化剂的制备工艺和热解反应条件的控制是影响纳米管产量和纯度的关键。
    2硅衬底上碳纳米管阵列的生长：利用化学气相法可大量合成纯净的碳纳米管，但是生成的纳米管是互相缠绕的无序状态。碳纳米管的器件应用，要求实现碳纳米管有序生长。实验证明，在硅衬底上生长规则的碳纳米管阵列是可能的。实验表明，多孔硅有助于使铁膜形成纳米尺度的颗粒并增强颗粒与衬底之间的附着力，这些纳米铁颗粒起催化剂的作用。同时，多孔硅有利于反应气体向催化剂扩散，以保证碳纳米管在所有的生长点具有相近的生长速率。密集的碳纳米管之间的相互吸引作用，使得碳纳米管相互平行向上生长，并保持衬底上催化剂的图形。这种碳纳米管阵列的一个可能的直接应用是场发射平面显示。实验表明，碳纳米管阵列具有较低的发射阈值电压和较高的发射电流。由于碳纳米管阵列是生长在硅衬底上，很容易在硅衬底上制备显示的驱动电路。值得指出的是，在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容，这就为碳纳米管器件与硅器件的集成提供了可能。
    3利用对碳纳米管填充制备一维纳米线：中空的碳纳米管的内径只有几纳米。如果碳纳米管可以填充其他材料，被填充的材料将形成一维纳米线。据报道，碳纳米管与液态铅共同退火可以使碳纳米管端口打开，进而由于毛细作用，熔融态物质可填充进碳纳米管内部。具有低表面张力的材料如硫、硒、铯都可以通过这种方法制成一维纳米线。而利用电弧放电法，通过在其中一个电极中混入一种金属或多种金属，表面张力高的材料也可以填充进碳纳米管中。碳纳米管的内填充不仅保证了一维纳米线形态的生成，同时也保护了被填充的活泼材料不被氧化，但到目前为止利用填充碳纳米管来制备纳米线的产额还不高。
    4利用对碳纳米管包敷制备一维纳米线：我们的实验表明，利用化学镀的方法可以在碳纳米管表面包敷一层金属镍，从而获得一维纳米磁性材料。化学镀的优点是对被镀材料的导电性，尺寸大小和形状以及镀膜的方向都没有特殊要求，因此是对碳纳米管这种纳米尺度异形材料镀膜的理想方法。碳纳米管可以用超声方法分散在镀液中，从而使每根纳米管都获得均匀的镀层。选择镍做镀层材料的目的在于制备出一维铁磁材料，从而在纳米铁磁研究和高密度存储器中得到应用。使用的是乙烯热解生成的多壁碳纳米管，镀液主妾成分为NiCl2.6H2O和NiSO4.6H2O。化学镀的反应速度对镀液的pH值是非常敏感的，通过用氨水调节pH值可以调节反应速度和镀层质量。pH值高则反应速度诀，镍倾向于在碳纳米管的外表面形成纳米颗粒；相反，pH值低则反应速度慢，镀层的均匀性更好些。磁性测量显示镍包敷的碳纳米管的矫顽力达127×102A／m，比镍的体材料矫顽力高许多。原则上讲，通过改变镀液成分，用碳纳米管化学镀膜的方法可以制备出种类广泛的一维纳米线。
    5利用碳纳米管限制反应制备氮化镓一维纳米晶体：在制备碳化物的反应MO＋C→MC＋CO中，MO选用具有较高蒸气压的金属氧化物，C选用碳纳米管，在适应的反应温度下，反应生成的金属碳化物（MC）就是一维纳米晶体。这一方法用于

设为首页 | 加入收藏 | 广告服务 | 友情链接 | 版权申明