碳纳米管制备技术研究进展.pdf

姓名：陈静 学号：2009200428 碳纳米管制备技术研究进展 摘要：碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料，由石墨碳原 子层卷曲而成。由于拥有潜在的优越性能，碳纳米管无论在物理、化 学还是在材料学领域都将有重大发展前景。近年来，美国、日本、德 国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构，碳纳米管的研究进展 随之加快，并在制备及应用方面取得了突破性进展。本文着重从碳纳 米管的制备方法与应用前景两方面，阐述了碳纳米管的研究进展与发 展潜力。 0 引言 随着微电子技术的进一步发展，微细化成为器件的重要发展方向， 纳米器件的研究成为近几年的热点。并出现了许多不同的纳米器件制 备工艺，如,：操纵原子、模板法制备纳米材料、纳米材料选择性生 长等，但还未出现材料选择性好、成本低、可批量生产的技术。目前， 以纳米材料为模块，采用自下而上的构筑加工工艺（Bottom-up）制 作纳米器件已成为一个亮点。这种工艺中，纳米材料可经不同制备方 法获得，并可对其进行提纯、筛选等一系列前处理，进而充分保证了 材料的质量，Bottom-up的构筑方式可根据设计要求实现任意纳米级 尺寸的纳米器件，但目前还未出现有效、可控排布纳米材料的有关报 道。 碳纳米管由于具有独特的结构、电学性质，已成为制备纳米器件 的首要候选材料。碳纳米管是一种一维管状分子结构的新型功能材料， 以其特殊的结构显示出了极强的量子效应和奇特的物理化学性能，在 催化、复合材料、储能材料和微电子器件等诸多领域表现出了很大的 潜在应用前景。目前制备碳纳米管的方法有石墨电弧法、激光法、催 化裂解法(CVD)等，其中前两种方法存在产量少，不易实现工业化生 产的特；而CVD法以其设备简单，成本低，反应过程容易控制，产量 高等优点成为目前制备碳纳米管的主流。 - 1 - 1 碳纳米管的制备 碳纳米管的制备方法主要有电弧法、激光蒸发法和有化学气相沉 积法。单壁碳纳米管产量只有克量级，制备技术难度大。多壁碳纳米 管的制技术则较为成熟，产量可达每小时公斤级，并可对产物直径和 定向性等进控制。 1.1 电弧法 电弧法是最早用于制备碳纳米管的方法，也是最主要的方法。其 主要艺是:在真空容器中充满一定压力的惰性气体或氢气，以掺有催 化剂(金属镍、钻、铁等) 的石墨为电极，在电弧放电的过程中阳极石 墨被蒸发消耗，时在阴极石墨上沉积碳纳米管，从而生产出碳纳米管。 Ebbesn 等人在氮气制备碳纳米管，并且可制得克级碳纳米管，从而 使这种方法被广泛应用。 电弧放电法制备单壁纳米碳管具有设备简单、原料易得、成本低 的优势，一直受到科学工作者的关注；但是该法操作条件不易掌控， 产物中单壁纳米碳管的含量取决于炉中的位置，不同位置的含量差别 较大，且合成的单壁纳米碳管纯度不高，含有较多的无定形碳和金属 颗粒，易缠结。 电弧法的特点是简单快速，制得的碳纳米管管直，结晶度高，但 产量不高，而且由于电弧温度高达 3000 一 3700℃，形成的碳纳米管 会被烧结成一烧结成束，束中还存在很多非晶碳杂质，造成较多的缺 陷。电弧法目前主要用于生产单壁碳纳米管。 1.2 激光蒸发法 激光蒸发法，其原理是利用激光束照射至含有金属的石墨靶上， 将其蒸发，同时结合一定的反应气体，在基底和反应腔壁上沉积出碳 纳米管。smalley 等制备 C60 时，在电极中加入一定量的催化剂，得到 了单壁碳纳米管。Thess 等改进实验条件，采用该方法首次得到相对 较大数量的单壁碳纳米管。这种方法易于连续生产，但制备出碳纳米 管纯度低，易缠结，且需要昂贵的激光器，耗费大。 激光蒸发法，即将一根金属催化剂/石墨混合的石墨靶放置于一 - 2 - 长形石英管中间，该管则置于一加热炉内。当炉温升至1473K 时，将 惰性气体充入管内，并将一束激光聚焦于石墨靶上。石墨靶在激光的 照射下将生成气态碳，这些气态碳和催化剂粒子被气流从高温区带向 低温区，在催化剂的作用下生长成单壁碳纳米管。激光烧蚀法合成的 单壁纳米碳管纯度高，但所用设备比较昂贵，合成单壁纳米碳管的量 极其有限且容易缠结，因而难以推广。 1.3 化学气相沉积法 化学气相沉积法又名催化裂解法，其原理是通过烃类(如甲烷、 乙烯、烯和苯