《纳米材料基础与应用》课程教学课件（PPT讲稿）第六章 一维纳米材料（2/2）

碳纳米管

碳纳米管

从碳60到碳的求管(CNT) C60分子被看作是碳材料的零维形式 碳纳米管是碳材料的一维形式 碳纳米管(CNTs) C60及富勒烯化合物 1991年，日本科学家饭岛 1985年英国Sussex大学的Kroto:教 (Iijima)发现，在《Nature)》 授和美国Slice大学的Smalleys教授 发表文章公布了他的发现成果， 发现 这是碳的又一同素异型体

从碳60到碳纳米管（CNT） C60分子被看作是碳材料的零维形式 碳纳米管是碳材料的一维形式 C60及富勒烯化合物 1985年英国Sussex大学的Kroto教 授和美国Slice大学的Smalley教授 发现 碳纳米管（CNTs） 1991年，日本科学家饭岛 （Iijima）发现，在《Nature》 发表文章公布了他的发现成果， 这是碳的又一同素异型体

碳纳米管的发现 1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子 显微镜专家lijima（饭岛澄男)发现了多壁碳 纳米管(MultiWalled Carbon Nanotubes, MWNTs),直径为4-30nm,长度为1um。, 最初称之为“Graphite tubular'”。 1993年单壁碳纳米管也被发现(Single-Walled Carbon Nanotubes,SWNTs),直径从0.4nm 到3-4nm,长度可达几微米

碳纳米管的发现 1991年，日本NEC公司基础研究实验室的电子 显微镜专家Iijima（饭岛澄男）发现了多壁碳 纳米管（MultiWalled Carbon Nanotubes ， MWNTs），直径为4-30nm，长度为1um。， 最初称之为“Graphite tubular”。 1993年单壁碳纳米管也被发现（Single-Walled Carbon Nanotubes ，SWNTs），直径从0.4nm 到3-4nm，长度可达几微米

First paper about carbon nanotubes Su THE synthesis of molecular carbon structures in the form of C60 and other fullerenes'has stimulated intense interest in the struc- tures accessible to graphitic carbon sheets.Here I report the preparation of a new type of finite carbon structure consisting of needle-like tubes.Produced using an arc-discharge evaporation method similar to that used for fullerene synthesis,the needles grow at the negative end of the electrode used for the arc discharge. Electron microscopy reveals that each needle comprises coaxial tubes of graphitic sheets,ranging in number from 2 up to about 50.On each tube the carbon-atom hexagons are arranged in a helical fashion about the needle axis.The helical pitch varies from needle to needle and from tube to tube within a single needle.It 营要强 appears that this helical structure may aid the growth process. The formation of these needles,ranging from a few to a few tens of nanometres in diameter,suggests that engineering of carbon structures should be possible on scales considerably greater than those relevant to the fullerenes. 1 uon 1.nlu iI tc uIUlI opCUIlICI

First paper about carbon nanotubes Sumio Iijima: “Helical microtubles of graphitic carbon” Nature, 354 (1991), 56. S. Iijima （飯島澄男） Y. Ando（安藤義則）

碳纳米管猪构及分美 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的同 轴中空无缝管状结构，其管壁大都是由六边形碳原子 网格组成。 ·根据管壁层数不同，一般分为单层碳纳米管和多层碳 纳米管； ·单壁碳纳米管(Single-walled nanotubes,SWNTs): 由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别 为0.753nm和1~50μm。又称富勒管(Fullerenes tubes) ·多壁碳纳米管(Multi-wal led nanotubes,MWNTs): 含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从 250不等，层间距为0.34±0.01nm,与石墨层间距 (0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为2~ 30nm和0.1≈50μm

碳纳米管结构及分类 • 由单层或多层石墨片绕中心按一定角度卷曲而成的同 轴中空无缝管状结构，其管壁大都是由六边形碳原子 网格组成。 • 根据管壁层数不同，一般分为单层碳纳米管和多层碳 纳米管； • 单壁碳纳米管（Single-walled nanotubes, SWNTs）： 由一层石墨烯片组成。单壁管典型的直径和长度分别 为 0.75～3nm和1～50μm。又称富勒管(Fullerenes tubes） • 多壁碳纳米管（Multi-walled nanotubes, MWNTs）： 含有多层石墨烯片。形状象个同轴电缆。其层数从 2～50不等，层间距为0.34±0.01nm，与石墨层间距 (0.34nm)相当。多壁管的典型直径和长度分别为2～ 30nm和0.1～50μm

碳纳米管结构形态 号8合6： 普通封口型 变径型 洋葱型 海胆型 竹节型 念珠型 纺锤型 螺旋型 其他异型

碳纳米管结构形态 普通封口型 变径型 洋葱型 海胆型 竹节型 念珠型 纺锤型 螺旋型 其他异型

碳的米管卷曲方式 根据碳纳米管中碳六边形网格 沿轴向的不同取向，可将其分 为扶手椅型，锯齿型和螺旋型 三种（如图所示）。 ●Armchair(n,n) 。Zig-Zag(n,0) ●Chiral(n,mn≠m (h,n) (n,0) 二维石墨片层按不同方向卷曲形成的 不同结构的碳纳米管

碳纳米管卷曲方式 (n,n) (n,0) Armchair (n,n) Zig-Zag (n,0) Chiral (n,m) nm 根据碳纳米管中碳六边形网格 沿轴向的不同取向，可将其分 为扶手椅型，锯齿型和螺旋型 三种(如图所示)。 二维石墨片层按不同方向卷曲形成的 不同结构的碳纳米管

Chiral angle 2 Zigzag人 01.0203040506070809010.011012013.0 6,1 32 Roll-up vector 62 12 82 92 10,2 11.212.2 33 43 83 9.3 113 2 a 按水平方向卷，形成的碳纳米管端口 是「锯齿型」按45°方向卷， 形成的碳纳米管端口是「扶手椅型」 按中间任意角度卷，螺旋型

按水平方向卷，形成的碳纳米管端口 是「锯齿型」按 45° 方向卷， 形成的碳纳米管端口是「扶手椅型」 按中间任意角度卷，螺旋型

手性 在晶体学中，只靠平移和旋转操作 无法使自身完全重合的晶体称为手 性型晶体。 按手性分类，碳纳米管可以分为非 手性型（对称型)和手性型（非对 称型)，其中手性碳纳米管又被称 为“螺旋式”碳纳米管；非手性型 碳纳米管又可以分为“椅式”和 “锯齿式”两种。 Armchair Zigzag (n,m)=(5,5) (n,m)=(9,0)

在晶体学中，只靠平移和旋转操作 无法使自身完全重合的晶体称为手 性型晶体。 按手性分类，碳纳米管可以分为非 手性型（对称型）和手性型（非对 称型），其中手性碳纳米管又被称 为“螺旋式”碳纳米管；非手性型 碳纳米管又可以分为“椅式”和 “锯齿式”两种。 Armchair (n,m)=(5,5) Zigzag (n,m)=(9,0) 手性

儿何结构 碳纳米管表面的结构主要以六 边形为主，在产生拓扑缺陷的 位置会出现五边形或七边形。 实验观察到碳纳米管表面 (a)五边形的引入导致六边形 (b)七边形的引入导致六边 的六边形网格中若出现五边形 网格平面正向弯曲： 形网格平面负向弯曲 或七边形，就会产生不规则结 d c 构。 Y型结构的碳纳米管

几何结构 碳纳米管表面的结构主要以六 边形为主，在产生拓扑缺陷的 位置会出现五边形或七边形。 实验观察到碳纳米管表面 的六边形网格中若出现五边形 或七边形，就会产生不规则结 构。 Y-型结构的碳纳米管 (a)五边形的引入导致六边形 网格平面正向弯曲； (b) 七边形的引入导致六边 形网格平面负向弯曲