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碳纳米管的应用

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纳米材料以其特殊的尺寸效应产生的独特物 物理化学性质而成为当前研究的热点,相信纳米技术在新世纪将给人类生活带来深远影响。

1.高强度复合材料

碳纳米管具有非常大的长度-直径比率,是复合材料中理想的增强型纤维。碳纳米管的尺寸很小,可以很方便地流过现有的树脂制造设备,从而制造出任何复杂形状的零件。传统的连续纤维增强型纤维材料刚性和强度比较好,并且密度也较低,但是制造成本过于昂贵,而且只能够制造简单形状的零件,也无法制造出高强度材料,从而在应用上受到了极大的限制。而碳纳米管的长度-直径比率很容易达到1000以上,从理论上讲完全可以制造出更高强度、更高密度、低成本的复合材料。碳纳米管是一种中空的管状物质,可以将其作为特种模具以得到纳米尺寸的线条和纳米棒。

2.信息存储

碳纳米管在制备过程中大多数都使用了过渡金属粒子作为催化剂,在生长的过程中,许多碳纳米管的顶部和底部都封有直径为几个纳米到几十个纳米数量级的催化剂颗粒。根据磁学理论可以知道,这些粒子是单磁畴粒子,可以稳定地记录信息。单根碳纳米管在垂直方向上可以存在多个铁磁粒子。因此碳纳米管将具有实现新型的大规模信息存储的可能性。

使用含有铁磁纳米粒子的碳纳米管材料作为三维磁存储器件具有如下的优势:

信息存储密度高:相对于传统的磁介质存储和光盘存储装置来说,利用碳纳米管材料的三维磁存储密度更高。纳米铁磁粒子的信息存储点径可望达到5-50nm; 信息存取速度快:信息存取时间可望达到2-5ns的数量级,相当于现有计算机上的静态存储器(SRAM)的水平,比任何现有的非易失性存储器都快得多;

材料来源广泛:制备碳纳米管所需要的原材料来源相当广泛,制备工艺相对比较简单,流程比较少,成本低廉,非常适合于大规模工业生产。

3.微机械

美国NASA Ames研究中心的研究者们利用碳纳米管成功地制造出了纳米级的齿轮。研究者们还利用单壁碳纳米管制作出了微机械执行器。实验表明,该执行器能够产生更多的应力,比高模铁电材料能够产生更多的应变。与天然的肌肉相类似,宏观的执行器是亿万个独立的纳米级执行器的聚合体。执行机理(电化学双层充电)效应是基于量子化学的扩展,不再需要离子间的相互作用。与传统的铁电执行器相比,基于碳纳米管的执行器在几伏特的工作电压下就可以获得大的执行器应力。理论预测和实验验证表明,使用优化的单壁碳纳米管制作的执行器可以达到比以往任何技术都高的器件密度和工作密度。

由于该执行器的工作电压比较低,因此在微悬臂梁方面将会得到更加广泛的应用。通过使用高温电解质,可以使碳纳米管执行器的工作温度远远高于铁电执行器,这对于喷气式发动机的气流控制来说是非常重要的。另外,碳纳米管执行器可以在海水和含盐溶液中工作,这样可以在潜水艇和生物医学领域得到应用。碳纳米管执行器还可以反向工作,将机械能转换成电能,可以制作出机械传感器和能量转换器件。铁电材料在比较高的电压下才能产生比较低的电流,而碳纳米管在比较低的电压下就能够产生大电流,这个效应对于远程安装的传感器中减少导线间的电容效应是十分有利的。

碳纳米管具有很大的直径1高度比,被认为是理想的扫描探针显微镜的针尖,可用于扫描隧道显微镜、原子力显微镜等设备中。实验证明,直径 10nm左右的多壁碳纳米管所制造的探针,其分辨 率与商业探针分辨率大体相当,相信单壁碳纳米管的分辨率会更高。

4.电子器件

半导体技术起源于半个多世纪之前,从那时 起,器件的体积就在不断地缩小,计算机的速度也越来越快。这些年来,典型器件的体积每.年就要缩小一倍,但是这样的趋势还能够维持多久?当器件的典型尺寸达到10nm数量级的时候,量子效应就会明显地呈现出来,器件、材料的特性与现在将会截然不同,其发展道路就会遇到严重的阻碍。正是由于这个原因,碳纳米管不但引起了科学界的很大兴趣,而且也引起了半导体行业的高度重视。根据碳纳米管的拓扑结构不同,所制成的器件可以是半导体性质的,也可以是金属性质的,许多大型跨国企业集团已经研究出了一些基于碳纳米管材料的器件。

具有良好晶界的异质结构对于电子器件来说是非常重要的。由于单壁碳纳米管尺寸小,具有独特的电子性质,因此利用碳纳米管制造异质结构引起了人们特别的兴趣。碳化物在电子工业中扮演着十分重要的角色,例如,碳化硅是一种十分有用的宽带隙半导体材料,在高温、高频率、高功率场合都得到了广泛的应用;过渡族金属碳化物,如碳化钛和碳化铌,都是很好的高熔点、低扩散系数的金属导体,非常适合在超大规模集成电路中应用。将这些材料与单壁碳纳米管结合在一起将会产生新的应用器件。研究者们已经利用基于控制固1固反应的方法,在单壁碳纳米管和纳米棒或者碳化硅、过渡族金属碳化物纳米粒子之间制造了异质结构。通过高分辨率透射电子显微镜和电子衍射显微镜的观察表明,该异质结构的晶界良好。单壁碳纳米管和碳化物之间的界面大小是纳米数量级的,由碳纳米管的截面决定,代表了碳纳米管可以达到的最小的异质结,在未来的混合纳米器件中会扮演特别重要的角色。

对于碳纳米管而言,在半导体性质和金属性质的碳纳米管之间可以形成整流的肖特基结,实验观察到的二极管性质可以解释为不同拓扑结构或电子特性的碳纳米管之间所形成的结。

晶体管是集成电路中的基本元件。要在未来的集成电路中利用碳纳米管,那么如何将碳纳米管制作成晶体管就显得非常重要。利用单壁碳纳米管或者多壁碳纳米管来形成场效应晶体管的沟道,人们已经成功制作出了纳米场效应晶体管。利用硅作为衬底材料,首先在硅衬底上生长一层二氧化硅,用来进行绝缘,避免电极之间导通。在二氧化硅上面制作出一定形状的金金属线,分别作为场效应晶体管的源极、漏极和控制栅极,将单根的碳纳米管横跨在源极和漏极之间。利用栅极对碳纳米管是否形成导电沟道进行控制,从而实现了纳米场效应晶体管。

5.场致发射平板显示器

由于碳纳米管能够在相对较低的电压下长时间地发射电子,故已经将碳纳米管应用于高分辨率电子束器件。碳纳米管能够提供高度相干的电子光束,它能够收集到所观察的物体的序列电子全息照片,其图像质量要比原子尺度的发射尖端所得到的照片还要清晰。迄今为止,碳纳米管已经应用到诸如扫描电子显微镜、透射电子显微镜等相关的高科技设备当中。与/01234阴极相对比,碳纳米管发射冷阴极具有更高的相干性,能够提供更狭窄的电子光束,这必将在诸如各种显示器设备的制造等方面引起重大变革。

新一代平板显示器是采用真空微电子技术,利用碳纳米管场致发射原理制作的矩阵寻址、高分辨率、高效率、长寿命的场致发射平板显示器。对于利用碳纳米管阴极材料的场发射平板显示器来说,与传统的基于金属和半导体尖锥阵列的场发射显示器相比,具有工作电压更低、制作成本更少、功耗更小、厚度更薄、亮度更强、清晰度更高等优点,完全可以替代目前我国和多数国家采用的示波管显示屏。它还可以进一步用于军用飞机的数字仪表面板、宇宙飞船、空间工作站上的各种数字、图像显示面板系统,直升机驾驶员用头盔式瞄准具和坦克、自动火炮等的瞄准与显示系统。利用碳纳米管作为冷阴极材料将可能使平板显示技术发生根本性的变革,对于提高商业化平板显示器的研制水平具有十分重要的使用价值和理论意义。

6.碳纳米管储氢

氢气在未来的能源方面将扮演一个很重要的角色,它在释放能量的过程中不会引起空气的污染和导致温室效应,但目前仍然没有一个实用的办法存储和运输氢气,而这对氢气能源的实用化是十分重要的。最近的研究表明,碳纳米管非常适合于作为储氢材料。由于碳纳米管具有独特的纳米级尺寸和中空结构,具有更大的表面积,相对于常用的吸附剂活性炭而言,具有更大的氢气吸附能力。目前,碳纳米管在储氢方面具有更加明显的优势,再加之碳材料的价格低廉,化学性能稳定,密度比较小,碳纳米管储氢的应用前景十分乐观。

目前,碳纳米管储氢应用的主要问题是进一步提高储氢率,探索碳纳米管吸放氢气条件,研究碳纳米管材料的储氢机理以及如何在工业上大量制备碳纳米管。通过制备工艺的改进、碳纳米管的提纯等方式,使得碳纳米管的储氢率进一步提高。研究碳纳米管吸放氢气的物理过程,确定其吸放氢气的物理条件,才能设计出相应的储气、释放系统,使得碳纳米管在储藏氢气方面走向实用化。碳纳米管作为一种新型的纳米材料,对原有的气体吸附理论也提出了新的挑战,需要使用新的理论来描述碳纳米管储氢过程,这些问题的解决,都需要进一步开展碳纳米管储氢方面的理论研究和实验研究。

7.碳纳米管微操作

如果要将碳纳米管应用到实际器件当中的话,那么首先需要解决的问题就是我们必须能够对碳纳米管以一定的方式控制和操作。其中IBM公司已经成功地应用原子力显微镜(AFM)对碳纳米管进行了控制,其中包括改变碳纳米管的位置、形状、方向以及可以对碳纳米管进行切割等。

本说明来源于《碳纳米管及其应用》

作者:朱长纯,袁寿财,李玉魁(西安交通大学电子与信息工程学院,陕西西安)