奈米碳管的发展与应用浅论.PDF

篇名： 奈米碳管的發展與應用淺論 作者： 黃穎哲。國立台南一中。高二 10 班 奈米碳管的發展與應用淺論 壹●前言 一般認為在 21 世紀中，奈米科技(Nanotechnology)是影響最深遠的主流科技之 一，它不但可以結合非資訊產業和生物科技以得到突破性的產品，而且藉由其技 術的應用可以挽救幾乎濱臨瓶頸的傳統產業，使傳統產業得以能持續提昇其產品 的附加價值與競爭力。 奈米碳管是由碳原子構成的奈米級(1 奈米(nm)=10-9 米)中空管狀物質，長度可為 數毫米，為使用奈米技術將片狀的平面石墨捲繞而成的筒狀立體結構，主要分為 單壁管(single-wall)及多壁管(multi-wall)兩大類。奈米碳管是目前自然界中所發現 之最細的管子，具有良好的熱傳導性和導電性，強度佳、化學性穩定，而且又柔 軟，可以說是奈米科技中的巨星。 奈米碳管被籲為是新世紀的夢幻材料，將人類文明的科技與生活添加了許多無限 的想像力與可能性。目前在多數研究團隊的努力下，已經對奈米碳管有相當程度 的瞭解，甚至擁有操控奈米碳管部份特性的能力，唯在其神秘面紗的背後，似乎 還有許多正等待被發覺的奇特現象與新奇的特性，耐人尋味。 貳●正文 一、奈米碳管的發現 1991 年，日本電氣公司(NEC)飯島澄男博士(Dr. S. Iijima)在研究碳簇時發現多壁 奈米碳管，其為一種長約 1 微米，直徑 4~30 奈米，具有 2~50 個同心管的圓筒形 材料，具有特殊的物性及化性，並以純碳的形式存在(註一) 。 1993 年，飯島澄男和 IBM 的 D. Bethune 分別用鐵和鈷混在石墨電極中，各自成 功的合成單壁奈米碳管。 不久之後，研究人員便發現只要改變電弧蒸汽條件，便能製作出大量的奈米碳管。 二、奈米碳管的結構 奈米碳管的形成是以六邊形碳環經過不同的捲曲方向和角度捲起成的圓筒狀，而 得到不同的結構類型。依照奈米碳管的截面邊緣形狀，單壁奈米碳管又可分為三 種類型：扶椅型、鋸齒型和螺旋型，如圖 1 所示(註二) ，其中扶椅型為金屬性， 而鋸齒型和螺旋型則為半導體特性(註三) 。 2 奈米碳管的發展與應用淺論 (a) 扶椅型 (b) 鋸齒型 (c) 螺旋型 圖 1. 三種不同結構之奈米碳管 三、奈米碳管的特性 奈米碳管之所以受到重視，不僅它是人工合成的最細管子，更重要的是其傲視許 多材料的優異特性，簡述如下(註四) ： 1 、機械特性：單壁奈米碳管的強度約為鋼的10~100 倍，但重量僅有鋼的 1/6 ， 其比強度(強度/密度)較鋼高出兩個數量級，是質輕且機械強度高的物質。 2 、電氣特性：依據結構參數不同，具有金屬或半導體特性 ；擁有極大的長度與 直徑比，在極小電壓下即可從尖端放出電子，故具有絕佳的場發射效應，可 做為平面場發射顯示器(Field Emission Display)的電極材料 。 3 、化學特性：相當安定，並具有優良的抗蝕性。 4 、熱學特性：具有極大的晶格振動自由徑，可使熱藉由晶格振動做有效傳遞， 故導熱性甚佳，其熱傳係數比鑽石更高；對熱非常穩定，於真空中，抗熱分 解溫度可高達 2800ºC ；在一般大氣中(含 21%氧氣) ，也可維持在約750 ºC 高 溫下不被燃燒分解。 四、奈米碳管的合成 碳奈米管的合成方法大致可區分為下列幾種類型，每一種方法所生成的碳奈米管 除品質、形貌與數量均不盡相同外，成長機制也各異(註五) ︰ 3 奈米碳管的發展與應用淺論 1 、電弧放電沉積法(Arc-discharge) ：在陽極碳棒中心添加金屬催化劑(