参考文献
[1] Sumio Iijima. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56-58 (1991). [2] Susumu Saito. Carbon Nanotubes for Next-Generation Electronic Devices. Science 278, 77 (1997). [3] Paul L.McEuen. Carbon-based electronics. Nature 393, 15-17 (1998).
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南京大学物理系微电子与固体电子学专业学士学位论文
碳纳米管在电子学中的运用
杨铮
第二章 碳纳米管的基本性质和应用前景
本章将主要介绍碳纳米管的一些基本性质,包括电学性质和力学性质等,以 及用来表征碳纳米管的物理量.另外还将介绍碳纳米管的应用前景.
§2.1 碳纳米管的性质
§2.1.1 碳纳米管的几何结构及用于表征碳纳米管的物理量
碳纳米管可以看成是由石墨卷曲而成的封闭管.单壁碳纳米管是由一层石墨 层卷曲而成的,而多壁碳纳米管是由多层石墨卷曲而成的同心套管. 碳纳米管的结构可用管径 dt 和螺旋角 来表征.石墨层卷绕成碳纳米管时 需要满足一定的边界条件, 即只有一定数值的直径和螺旋角的组合才能使石墨卷 曲成碳纳米管.图 2.1 中给出了由碳原子所组成的正六角网格平面,碳原子位于 正六边形的顶点,a 和 b 为基矢,O 为原点,OX 方向为参考轴,螺旋矢量 Ch(即 图中红色的矢量),Ch 与参考轴的夹角为 .O 和 A 为两个等价的晶位,Ch 可表 示为 C h = na + mb 当图中蓝色的区域卷成筒状的碳纳米管时,A 和 O 这两个等价晶位将会重叠.
图 2.1 石墨层卷曲成碳纳米管的示意图
当 =30° , 六 角 网 格 卷 曲 所 形 成 的 碳 纳 米 管 称 为 " 椅 型 " 碳 纳 米 管 时
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(armchair);当 =0° 时,六角网格卷曲所形成的碳纳米管称为"齿型"碳纳米管 (zigzag);而处于两者之间的碳纳米管称为"螺旋型"碳纳米管(chiral). 具有可能的螺旋矢量 Ch 的碳纳米管可以用一组整数(n,m)来表示,我们将其 称为碳纳米管的指数. 这样得到的碳纳米管只有平面的弯曲, 而没有键角的变形. 显然(n,0)代表的是"齿型"碳纳米管,而(n,n)代表的是"椅型"碳纳米管.在 图 2.2 中分别给出了(5,5)椅型碳纳米管, (9,0)齿型碳纳米管和(10,5)螺旋型碳纳米 管的结构示意图.
图 2.2 椅型,齿型和螺旋型碳纳米管
对于碳纳米管(n,m)来说,其管径 dt 和螺旋角 分别由下式表示
dt = 3(n 2 + nm + m 2 ) ac c | Ch | = π π 3m θ = arctg m + 2n
式中 ac-c=0.1421nm,为石墨层中相邻碳原子之间的距离.n 和 m 的值约大,则 碳纳米管的管径也约大. 另外, 由于碳原子的六角网格的对称性, 不同的整数(n,m) 也可能会对应相同的碳纳米管,为了避免重复,只考虑 0° ～30° 范围内(n,m)所对 应的碳纳米管.
§2.1.2 碳纳米管的电学性质简介
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计算表明,对于碳纳米管(n,m)来说,如果 n 和 m 满足下式
n m = 3q ( q为整数 )
那么该碳纳米管就是金属型的.由于"椅型"碳纳米管的指数为(n,n),所以"椅 型"碳纳米管全部都是金属性型的.而"齿型"碳纳米管和"螺旋型"碳纳米管 都只有 1/3 是金属型的,另外 2/3 是半导体型的,如图 2.3 所示.
图 2.3 金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管
在后面章节对基于碳纳米管的电子器件进行介绍时, 碳纳米管的电学性质还 会被详细介绍, 而这里仅仅是给出辨别金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管的判 据.
§2.1.3 碳纳米管的其它性质
碳纳米管有着极高的强度,它的杨氏模量高度 1012 Pa 量级[3].碳纳米管还有 着很好的韧性,可以被大角度的弯曲[4].另外,碳纳米管有很好的导热性;化学 性质也不活泼,是一种比较稳定的物质.

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