Chapter05_523508550

Chapter05_523508550 - 1(CNT 110 nm nm m 2 1 CNT SWCNT MWCNT...

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1 1 第五章 碳纳米管电子学 2 第一节 碳纳米管 (CNT) 的基本结构 z 又叫巴基管,碳的同素异形体 z 由单层或多层石墨绕中心按一定角度卷曲而成的无缝、中 空纳米管 单壁碳纳米管 直径 1 10 nm 多壁碳纳米管 直径 nm →μ m
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2 3 CNT 可分单壁和多壁碳纳米管: SWCNT MWCNT 单壁碳纳米管可看成是由六角结构的平 面石墨晶体膜卷曲而成的纳米管线,一般 直径为 1~10nm ,长度为几微米到数百微 米,其端点可以是开口的,也可以是半球 状的 C 60 4 14 CNT 结构示意 (a)Graphene 结构 二维石墨 (平面六角结 C )晶体 Graphene 的结构见图 14(a)
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3 5 14 CNT 结构示意 (b) 不同的 CNT 结构 当其按某些特 定的卷曲方向卷曲 时会构成无缝、无 缺陷、空心的棒状、 六角结构的 C 单分 子晶体,见图 14(b) 6 ( ) h C 2 1 a m a n C h + = 2 1 , a a 为了保证卷曲后各个碳原子周围的键合 保持完整的六角结构,卷曲轴向 的条件为 其中: 为六角晶体的二个基矢, n m 为正整数。 (26)
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4 7 14 CNT 结构示意 (b) 不同的 CNT 结构 几种 n m 值下 CNT 管结构示于 14(b) :当 n m 一个为 0 时,结构为 Zigzag 状; n=m 时,结构称为圈椅 状,等等。 8 CNT 的制作方法很多,主要有: 9 电弧放电法(已用于工业化生产) 9 激光蒸发法 9 化学气相沉淀法( CVD 法) 其基本原理是把高能 C 原子在一些过渡 金属元素(如 Ni Co 等)作催化剂下,沉积 到冷却的靶上去。
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5 9 早期得到的 CNT 是混杂的,有多壁的、 单壁的,有的捆成棒状,杂乱无方向地排列。 现在已经有办法实现对 CNT 生长的控制,包 括定向、局域生长。 10 例如: 2001 IBM 一研究组把 C 60 金属 Ni 交替蒸发形成多层夹心结构,然后 在强磁场下加热到 950 ° C 获得了高为微米 级的,大致等同直径( φ≈ 50nm )的单壁 CNT 束的阵列(棒),高分辨 TEM 证明每 个棒由上千个单壁( SW CNT 所组成。
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6 11 纳米碳管有很多实用前景,包括显示、 传感和构成信息纳电子器件等,因而,近 10 余年来受到了广泛的重视。国际上认 为,现在正在逐渐形成一门碳纳米管电子 学的新学科。 接下来将介绍 CNT 的电子能带结构、由 它所导出的电传导模型和其用于制作电子 开关器件的性能估计等。 12 Graphene 结构中,碳原子之间的电子 键合是 SP 2 杂化,其电子能带(运动平面为 K x K y ))为 () 2 1 2 2 2 cos 4 2 cos 2 3 cos 4 1 , + + ± = a K a K a K K K W y y x o y x D γ 其中 γ o 为最近邻原子间电子波函数的重叠 积分, a=0.246nm 为晶格常数; ± 符号分别 代表 π π * (反 π )带。 (27)
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