纳米碳管和石墨烯的微观结构简介

陈绪栋 李飞扬

【摘要】本文主要介绍了纳米碳管和石墨烯两种碳材料的微观结构，通过对两种材料微观结构的认识，了解这两种碳材料的物理性质和化学性质以及它们将来会给我们的日常生活带来的影响。

【关键词】纳米碳管，石墨烯，微观结构

1前言

碳元素是自然界中存在的与人类最密切相关、最重要的元素之一，它具有多样的电子轨道特性（sp，sp2，sp3杂化），再加之sp2的异向性而导致晶体的各向异性和其排列的各向异性，因此以碳元素为唯一构成元素的碳材料具有各式各样的性质，并且新碳素相和新型碳材料还不断被发现和人工制得。由于碳元素和碳材料具有形式和性质的多样性，从而决定了碳和碳材料仍有许多目前并未开发的部分，若再考虑与其他元素或化合物等的复合和相互作用，则可获得更大的发展空间和前景。从目前的研究情况来看，在未来相当长的一段时间内，碳的新相和聚合物碳同素异构体的设计、制造和研究将是物理化学领域中最中心的课题。

2纳米碳管简介

2.1纳米碳管的研究现状

纳米碳管（CNT），管状的纳米级石墨晶体，是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝纳米级管，每层的C是SP2杂化，形成六边形平面的圆柱面[1]。

纳米碳管由1991年日本科学家Sumio Iijima发现，具有优良的场发射性能，制作成阴极显示管，储氢材料。我国自制的碳管储氢能力达到4%，据世界领先水平。1992年，科研人员发现碳纳米管随管壁曲卷结构不同而呈现出半导体或良导体的特异导电性；1995年，科学家研究并证实了其优良的场发射性能；1996年，我国科学家实现碳纳米管大面积定向生长；1998年，科研人员应用碳纳米管作电子管阴极；1998年，科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管；1999年，韩国一个研究小组制成碳纳米管阴极彩色显示器样管；2000年，日本科学家制成高亮度的碳纳米管场发射显示器样管[2]。

2.2纳米碳管结构介绍

石墨平面卷成圆柱体时的矢量设计图见图1。螺旋向量R= na1+ ma2，a1，，a2为石墨晶格矢量，n，m为整数。根据螺旋向量R的不同，SWNTs可分为三类：n= m型纳米碳管叫做扶手椅型纳米碳管：m = 0型纳米碳管叫做锯齿型纳米碳管[3]；其余的叫做螺旋型纳米碳管（n-m）/3为整数时，SWNTs具有金属性，否则为半导体。

纳米碳管的导电性与纳米碳管的螺旋度和直径有关，在纳米碳管中，电子是沿着石墨片层的单个平面进行传导的，其电子传输通道随碳管直径的增加而增加，因此，纳米碳管具有独特的发射传导性质。扶手椅型纳米碳管具有金属导电性，而锯齿型和螺旋型纳米碳管具有半导体导电性。这是因为，在扶手椅型纳米碳管中，价带和导带相交迭，而在大多数螺旋型纳米碳管中，费米能级附近存在禁带，禁带的宽度与碳管直径成反比[4]。

C—C共价键使纳米碳管具有很高的强度和刚度，从纳米碳管的结构和已进行的测试来看，纳米碳管的弹性模量和相应的刚度值应当近似于或大于石墨的内平面值[5]。Treasy等人利用扫描探针显微镜对纳米碳管的热振动振幅进行了测试，估计出MWNTs弹性模量1.8TPa（1TPa=1000GPa）。

如图1纳米碳管的矢量设计

3石墨烯简介

3.1石墨烯的研究现状

石墨烯是一种只有单原子层厚度的二维碳纳米材料，他真正意义上的发现和制备始于2004年，由英国曼彻斯特大学物理学院的Geim等人采用胶带反复粘贴剥离石墨的方法，首先获得了完美的单层石墨烯。由于石墨烯本身拥有优异的电性能，力学性能和热性能，他的出现在纳米材料领域掀起了轩然大波，也因此带动了树脂基纳米复合材料的快速发展[6]。

3.2石墨烯结构介绍

石墨烯属于典型的二维蜂窝状碳网络结构，平面内由周期性紧密排布的碳六元环构成，各个碳原子之间通过SP2杂化轨道相连接。由于石墨烯只有一个碳原子层，他的厚度也仅仅0.5nm左右，同时石墨烯被认为是其他各维碳材料的基本组成单元，它能够卷曲成零维的富勒烯C60。如果卷成圆筒状便构成了二维的碳纳米管，而石墨烯片层之间通过较弱的分子间作用（范德华力）相互堆积即是三维的石墨结构[7]。

石墨烯完美的碳晶体结构赋予了它许多杰出的物理化学性能。例如理论上2630m?/g的比表面积、高达200000cm?/V s的电子迁移率、室温5000W/mK的热导率、量子霍尔效应、阻隔性能、以及达到了1100Gpa杨氏模量和130Gpa破坏强度的超强力学性能等。在纳米电子器件、储能材料、透明导电薄膜、力学传感器和树脂基复合材料等研究领域引起关注。

4结语

作为碳家族的一个新成员，纳米碳管这种纳米材料以其特有的结构和性能，引起了物理学、化学、材料学领域研究者们的高度重视。目前，纳米碳管的理论研究、制备、提纯、开口、填充、功能开发、实际应用都在进一步深入。

石墨烯因其独特的电子结构和优良的物理、力学和电学性能吸引了无数科学家的目光。然而，综合分析石墨烯的特点、目前的研究状况后，高质量、单层石墨烯的制备还处于实验室阶段。

随着人类对纳米碳管和石墨烯研究不斷深入，必将给物理学、化学、材料学领域尤其是纳米材料领域带来一场新的革命。

5参考文献

[1] 李文治，解思深.纳米碳管的制备及其微观结构的研究[J].电子纤显微学报， 1998， 17（3）：243-243.

[2] 董树荣，涂江平.纳米碳管的制备的研究[J].材料科学与工艺， 1998， 6（1）：31-31.

[3]Ajayan P M. Iijima S. Capillarity-induced filling of carbon nanotubes. Nature. 1993. 361：333

[4]Marc B. David H C. Paul L M， et al. Single-electron transport in ropes of carbon nanotubes. Science. 1997. 275： 1922

[5]Dillon A C. Jones K M. Bekedahl T A， et al. Storage of hydrogen in single-zwalled carbon nanotubes， Nature， 1997. 386： 377

[6] 徐秀娟，秦金贵.石墨烯研究进展[J].化学进展， 2009， 21（12）：2559-2567.

[7]Tsang S C E. Abstract book of the second international interdiscipliary colloquium on the science and technology of the fullerenes， Elsveier， Amsterdam. 1996. 25