碳納米管科學

前言

本書最初是想作為前一本書《碳納米管及其相關結構——二十一世紀的新材料》（劍橋大學出版社，1999年）的第二版來寫。然而，由于本領域在1999年以來的迅速發(fā)展，在寫作的過程中內(nèi)容越來越多，使我意識到我根本上就是寫了一本新書。新的書名也反映了這種情況，同時大部分涉及“相關結構”的內(nèi)容均被忽略，現(xiàn)在此書幾乎完全只包含碳納米管本身。如前一本書一樣，我得到了世界上許多同事的巨大幫助，他們中的許多人還提供了圖片的拷貝和抽印件。下面的名單中肯定不能完全包括所有幫助過我的人，如有遺漏，我在此表示歉意。我還要強調(diào)，本書中如有錯誤將由我本人負責。  我要感謝：Pulickel Ajayan、Lizzie Brown、Marko Burghard、成會明、戴宏杰、Walt De Heer、Cees Dekker、Chris Ewels、John Gallop、Jason Hafner、Michael Holzinger、Martin Hulman、姜開利、Hiromichi Kataura、Ian Kin-loch、Ralph Krupke、Alan Lau、Cheol Jin Lee、Jannik Meyer、Geoff Mitchell、Pasha Nikolaev、Henk Postma、任志鋒、Daniel Resasco、Andrew Rinzler、Milo Shaffer、宋文輝、Kazu Suenaga、Sander Tans、Kenneth Teo、EdmanTsang、Daniel Ugart、Bruce Weisman和Karen Winey。我還要感謝劍橋大學出版社給予的鼓勵和耐心。最重要的，我要感謝我的妻子Elaine和女兒Katy和Laura給予始終的愛和支持。

內(nèi)容概要

碳納米管是現(xiàn)代科學研究中最令人興奮的研究領域之一。這些分子規(guī)模的碳管是迄今已知的最硬、強度最大的纖維，同時具有不同尋常的電學性質，在醫(yī)藥、傳感器及其他領域具有廣闊的應用前景。通過對紛繁眾多的信息的整合。本書成為一部本領域中最簡潔、最易懂的書。為研究生和研究人員提供了必要的基礎知識。    本書聚焦于碳納米管。內(nèi)容涵蓋近年來在此蓬勃發(fā)展領域所取得的主要進展。本書以對合成、純化和處理方法的全面的和最新的討論開始，各章集中在電學性質、化學和生物分子功能化、納米管復合物和碳納米管基探針和傳感器?；谄鋵Ρ净钴S領域最新工藝水平的全面覆蓋，本書旨在吸引包括納米技術、工程、材料科學、化學、物理學在內(nèi)的眾多學科的研究人員。

作者簡介

作者：（美國）哈里斯（Peter J.F.Harris）

書籍目錄

前言1  導論  1.1  巴克敏斯特富勒烯  1.2  富勒烯結構碳納米管  1.3  單壁和雙壁碳納米管  1.4  催化生長的碳納米管  1.5  誰發(fā)現(xiàn)了碳納米管？  1.6  碳納米管的研究  1.7  本書的內(nèi)容  參考文獻2  合成Ⅰ：電弧、激光蒸發(fā)和熱處理法  2.1  多壁碳納米管的電弧蒸發(fā)合成    2.1.1  早期工作    2.1.2  電弧蒸發(fā)技術：進一步發(fā)展    2.1.3  石墨的替代物    2.1.4  電弧蒸發(fā)法的安全性考慮  2.2  多壁碳納米管在電弧中的生長機理    2.2.1  一般性描述    2.2.2  氣相生長    2.2.3  液相生長    2.2.4  固相生長    2.2.5  結晶模型  2.3  多壁碳納米管的高溫熱處理合成  2.4  單壁碳納米管的電弧蒸發(fā)合成  2.5  單壁碳納米管的激光蒸發(fā)合成  2.6  單壁碳納米管在電弧和激光蒸發(fā)中的生長機理    2.6.1  氣-液-固模型    2.6.2  固固模型  2.7  雙壁碳納米管的電弧蒸發(fā)合成  2.8  討論    參考文獻3  合成Ⅱ：催化化學氣相沉積及其相關的方法  3.1  多壁碳納米管的催化合成：1991年前的工作  3.2  多壁碳納米管的催化合成：1991年后的工作    3.2.1  在基底上生長多壁碳納米管陣列    3.2.2  納米管的直接紡紗  3.3  多壁碳納米管的催化生長機理  3.4  單壁碳納米管的催化合成    3.4.1  生長單壁碳納米管所需的條件    3.4.2  大規(guī)模催化合成單壁碳納米管    3.4.3  單壁碳納米管纖維的制備    3.4.4  單壁碳納米管的定向生長    3.4.5  單壁碳納米管的結構控制制備  3.5  催化生長單壁碳納米管的形成機理    3.5.1  氣-液-固機理    3.5.2  化學氣相沉積生長的固相機理？  2.6  雙壁碳納米管的催化合成  3.7  多壁碳納米管的電化學合成  3.8  通過熱處理金屬摻雜碳制備多壁碳納米管  3.9  討論    參考文獻4  純化和處理  4.1  多壁碳納米管的純化    4.1.1  電弧蒸發(fā)所得多壁碳納米管    4.1.2  催化所得多壁碳納米管  4.2  單壁碳納米管的純化    4.2.1  酸處理和氧化    4.2.2  功能化    4.2.3  物理技術    4.2.4  評估純度  4.3  多壁碳納米管的處理    4.3.1  多壁碳納米管的分散和聚集    4.3.2  多壁碳納米管的取向排列    4.3.3  純多壁碳納米管紡紗    4.3.4  多壁碳納米管薄膜    4.3.5  多壁玻納米管的斷裂和剪切  4.4  單壁碳納米管的處理    4.4.1  單壁碳納米管的取向排列和組裝    4.4.2  純單壁碳納米管紡紗    4.4.3  單壁碳納米管薄膜    4.4.4  單壁碳納米管的長度控制  4.5  金屬型和半導體型單壁碳納米管的分離    4.5.1  選擇性消除法    4.5.2  介電電泳法    4.5.3  選擇性功能化法  4.6  討論  參考文獻5  結構  5.1  碳材料的化學鍵  5.2  碳納米管的結構：理論討論    5.2.1  碳納米管的矢量標記    5.2.2  納米管的單胞    5.2.3  納米管的對稱性分類    5.2.4  六邊形格位中的缺陷    5.2.5  多壁碳納米管中的層結構    5.2.6  納米管封口的理論  5.3  實驗研究：電弧蒸發(fā)所得多壁碳納米管    5.3.1  層結構：實驗觀察    5.3.2  多壁碳納米管的電子衍射    5.3.3  多壁碳納米管的橫截面形狀    5.3.4  多壁碳納米管的封口結構    5.3.5  關節(jié)狀連接和分叉結構  5.4  實驗研究：催化法所得多壁碳納米管  5.5  實驗研究：單壁碳納米管    5.5.1  一般特征    5.5.2  單壁碳納米管的電子衍射    5.5.3  單壁碳納米管的高分辨透射電子顯微鏡分析    5.5.4  單壁碳納米管的掃描隧道顯微鏡分析  5.6  中子衍射    5.7  討論    參考文獻6  物理性質Ⅰ：電子學  6.1  石墨的電學性質  6.2  納米管的電學性質：理論    6.2.1  單壁管的能帶結構    6.2.2  管壁彎曲和管間作用的影響    6.2.3  納米管中的電子輸運    6.2.4  磁場的影響  6.2  碳納米管的電學性質：實驗測量    6.3.1  有關多壁碳納米管的早期研究    6.3.2  單壁碳納米管的結構與電學性質的關系    6.3.3  量子電導    6.3.4  納米管在磁場中的電學性質    6.3.5  超導電性  6.4  納米電子器件    6.4.1  二極管    6.4.2  場效應晶體管    6.4.3  邏輯電路  6.5  納米管的磁學性質  6.6  納米場發(fā)射器  6.7  結論  參考文獻7  物理性質Ⅱ：力學、光學、熱  7.1  碳納米管的力學性能    7.1.1  理論預測    7.1.2  實驗測試：多壁碳納米管    7.1.3  實驗測試：單壁碳納米管  7.2  碳納米管的光學性質    7.2.1  吸收光譜    7.2.2  熒光光譜  7.2  拉曼光譜  7.4  納米管的熱導性質  7.5  納米管的物理穩(wěn)定性  7.6  討論  參考文獻8  納米管的化學和生物學  8.1  共價功能化    8.1.1  管端和缺陷功能化    8.1.2  管壁功能化  8.2  非共價功能化  8.3  化學功能化納米管的表征  8.4  生物功能化    8.4.1  蛋白質    8.4.2  核酸  8.5  碳納米管的毒性  8.6  討論  參考文獻9  碳納米管復合物  9.1  碳納米管/高分子復合物的制備    9.1.1  溶液混合法    9.1.2  熔融法    9.1.3  原位聚合法    9.1.4  納米管對聚合物結構的影響  9.2  碳納米管/高分子復合物的性質    9.2.1  機械性能    9.2.2  電學性質  9.2  碳納米管/陶瓷復合物  9.4  碳納米管/碳復合物  9.5  碳納米管/金屬復合物  9.6  討論  參考文獻10  填充及異質納米管  10.1  電弧蒸發(fā)填充  10.2  多壁碳納米管的化學法開口和填充    10.2.1  早期工作    10.2.2  酸處理開口    10.2.3  開口管的填充  10.3  催化生長多壁管的填充  10.4  多壁管中的水  10.5  單壁和雙壁碳納米管的填充    10.5.1  填充無機材料    10.5.2  填充富勒烯：“納米豆莢”  10.6  納米管中的氣體    10.6.1  氫氣    10.6.2  其他氣體  10.7  異質納米管    10.3.1  硼碳氮管    10.3.2  碳-氮管    10.3.3  碳-硼管  10.8  討論  參考文獻11  探針和傳感器  11.1  用于原子力顯微鏡的納米管探針    11.1.1  納米管探針的制備：機械裝配    11.1.2  納米管探針的制備：化學氣相沉積    11.1.3  使用納米管探針的原子力顯微鏡圖像  11.2  氣體傳感器  11.3  生物傳感器  11.4  物理傳感器  11.5  討論  參考文獻12  總結  12.1  碳納米管研究要點  12.2  最后的感想  參考文獻姓名索引主題索引

章節(jié)摘錄

插圖：Probably the first demonstration of aligned growth was given in 1996 by a Chinesegroup who used a technique in which Fe nanoparticles were embedded in mesoporoussilica and then used to catalyse the decomposition acetylene at 700 ~C （3.34）. Thisresulted in the formation of straight MWNTs growing in a direction perpendicular tothe surface of the silica. It was reported that nanotube arrays of several square millimetresin area could be grown in this way, and that the arrays could be readily detached from thesubstrate. A slightly different method was described a short time later by MauricioTerrones and colleagues （3.35）. These researchers used laser etching to prepare apatterned cobalt catalyst on a silica substrate, which was then heat treated to break upthe Co films into discrete particles. The patterned catalyst was used to pyrolyse anorganic compound at 950 ~C, resulting in the formation of aligned nanotubes growingapproximately parallel to the substrate. In 1999, workers from the University of Torontoreported the growth of aligned MWNT arrays up to 100 tm in length by the pyrolysis ofCzH2 on Co particles within a 'nanochannel' alumina template （3.36）. At about the sametime, Hongjie Dai and colleagues from Stanford grew aligned arrays of nanotubes onboth porous silicon and plain silicon substrates, and demonstrated their field emissionproperties （3.37）.  A very popular approach to growing carbon nanotubes on substrates involves the useof a plasma. The technique of plasma enhanced chemical vapour deposition （PECVD）was first used for nanotubes by Zhifeng Ren and his team from the State University ofNew York in 1998 （3.38）. In this work, the tubes were grown on nickel particlesdeposited onto glass. A DC plasma was used with acetylene as the carbon source.Ammonia was introduced into the reaction chamber, and appeared to have an importantrole as a catalyst as well as acting as a dilution gas. Aligned arrays of tubes were formedover several square centimetres. An SEM micrograph showing the excellent alignmentachieved is shown in Fig. 3.4. Plasma enhanced chemical vapour deposition had beenwidely used for many years as a method for coating glass plates and other substrates forapplications in flat panel displays, solar cells or other devices （3.39）. It is widely used forthe deposition of diamond-like carbon films. A plasma is an excited/ionized gas, and theprocessing plasmas, usually known as 'cold' plasmas, are generated using DC, RF ormicrowave excitation. When used for fabricating diamond-like carbon, the role of theplasma is to activate carbon-containing precursor molecules in the gas phase, in order toallow deposition to occur at a lower temperature. However, it is not entirely clear whetherthis is always the case for PECVD growth of nanotubes. The alignment that occursduring plasma enhanced CVD is believed to be due to the presence of the electric field.

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《碳納米管科學:合成、性質與應用(導讀版)》是納米科學進展系列。

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