单壁碳纳米管综述

纳米碳管是在1991年，日本电子公司（NEC）的显微镜专家饭岛用高分辨透射电子显微镜观察石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外地发现阴极炭黑中含有一些针状物，由管状直径为十几个纳米，长度几个微米的同轴纳米管组成,这就是现在被称作的“Carbon nanotube”，即碳纳米管，这一结果后来发表在Nature杂志上，从而揭开了碳纳米管研究的序幕。碳纳米管是一种新型的碳结构，它是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝﹑中空的管体，一般可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管，如果碳纳米管是由一个单层的石墨片卷积而成，我们把它叫做单壁碳纳米管，而多壁碳纳米管我们可以看作是有很多个单壁碳纳米管同心叠套而形成的独特结构。多壁碳纳米管的层间距大概为0.34nm与石墨的两层之间的距离大致一样，而单壁碳纳米管的直径比较小，通常是一个纳米到几个纳米。由于我所做的是单壁碳纳米管的结构控制研究，因此我以制备单壁碳纳米管为例来说明。

目前，通常用电弧放电法﹑激光蒸发法和有机碳氢化合物热解法来制备单壁碳纳米管，在这些方法中，化学气相沉积法（CVD）由于反应温度较低，参数易控，且能制备大量离散的﹑高质量的单壁碳纳米管而被广泛使用。由于目前制备出的单壁碳纳米管样品杂乱﹑相互缠绕﹑难以分散，而且其中还存在大量的无定形碳等杂质，因此，为了制备离散分布的﹑高质量的单壁碳纳米管，我们需要对单壁碳纳米管的生长条件进行优化选择，同时希望能够找出具有选择性的催化剂，从而确定碳纳米管的直径和螺旋性，通过单壁碳纳米管的螺旋性，可以把单壁碳纳米管分成半导体管和金属管。通常，对于碳纳米管结构的表征和分析，我们通常用扫描电镜（SEM）﹑原子力显微镜（AFM） ﹑拉曼光谱（Raman spectrum）和电化学工作站等方法联合使用进行表征。

生长单壁碳纳米管，我们需要从碳源及反应气氛﹑催化剂的选择﹑基底﹑加热方式等四方面选择适宜的条件。

一﹑碳源及反应气氛

    碳源可分为气态碳源和液态碳源两种，液态碳源可以通过载气鼓泡带入体系，常见的有CO﹑CH₄﹑CH₃CH₂OH等，所用的载气一般是氩气和氢气，也有只用氢气做载气的。我们通常选择氢气作为载气，乙醇中加入少量的水（质量分数5％左右）来进行生长，由于在此比例是，乙醇与水形成共沸物，其组成不会发生大的变化，而这些水可明显提高单壁碳纳米管的产率，但同时水对碳管也有一定的刻蚀作用。

二﹑催化剂的种类

    人们为了研究碳管的生长机理，实现碳管的可控性生长，先后用Ag﹑Pd﹑Au﹑Cu﹑Rh﹑Mg﹑Mn﹑Cr﹑Sn和Al，半导体催化剂Si和Ge，碳化物SiC﹑Fe₃C, 氧化物SiO₂, Al₂O₃, TiO₂等都具有催化生长碳纳米管的活性。另外，2003年，Weisman在JACS上的研究结果表明催化剂的种类决定SWNTs的手性。因此，开发新的催化剂，研究不同催化剂所催化生长的碳纳米管的结构，找出二者之间的关系，对实现碳纳米管的控制生长特别具有特定螺旋性结构的具有重要的意义。

三﹑基底

  基底的选择对于单壁碳纳米管的的生长有决定性的作用。所选择的基底与催化剂或者单壁碳纳米管之间的作用力既不能太大，也不能太小。如果基底与催化剂之间的作用力太大，催化剂不容易分散，且容易形成合金，不能形成有效的催化剂纳米粒子，不利生长，如果作用力太小，则催化剂容易聚集。

四﹑反应方式

   单壁碳纳米管生长过程中，有传统加热法和快速加热法两种，但由于快速加热法能长出更多的碳纳米管，且能沿气流方向排列，所以我们通常采用快速加热法。

虽然目前生长定向平行超长单壁碳纳米管并不难，但其效率还是比较低，可控性仍然很差，具体有以下几方面：

1．          对于合成一个指定直径的单壁碳纳米管的技术尚未实现。

2．          单壁碳纳米管的手性控制仍是一个有待解决的问题。

3．          尽管研究人员能从几乎所有的金属中成功地生长出碳纳米管，但是对于不同的金属在生长碳纳米管时的物理﹑化学﹑电子和光学﹑磁的性质方面的差异尚不清楚。

4．          碳纳米管的生长没有形成完整的机理理论。

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