电镜在碳纳米管表征中的应用.docVIP

电 镜 在 碳 纳 米 管 表 征 中 的 应 用 （粉末冶金研究院 学号：052620020 姓名：周建伟） 摘 要：本文首先总结碳纳米管的结构特点，接着对透射电子显微镜、扫描电子显微镜在碳纳米管的结构和形貌表征中的应用作了简要的概述。并对电镜图像作了初步的分析。 关键词：碳纳米管，透射电镜，扫描电镜，电子衍射谱 1991年，饭岛在Nature上发表的碳纳米管的论文，不但在电镜中观察到直径为1nm的管子，并给出合理解释。在这后，Nature连续发表了饭岛的六篇有关纳米碳管的论文[1]。之后，由于碳纳米管具有特殊的导电性能和机械性能，吸引着科学界广泛的兴趣和研究，碳纳米管在高强度纤维材料、复合材料以及纳米电子器件等方面具有广阔应用前景[2]。目前表征碳纳米管的纳米结构和形貌的手段非常有限，除了STM，XPS，XRD，Raman0.12nm，已经达到分辨单个原子的水平(较小的轻元素除外)，扫描电镜的二次电子像的分辨率也已达到3-4nm的水平[3]。为此，本文首先总结碳纳米管的结构特点，接着对透射电子显微镜、扫描电子显微镜在碳纳米管的结构和形貌表征中的应用作了简要的概述。 一、碳纳米管的结构及其透射电镜表征 碳纳米管是由一层或数层石墨片卷曲而成的高长径比的一种一维管状纳米结构。其中最重要的结构是单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。单壁碳纳米管被认为由一层石墨片卷曲而成，而多壁碳纳米管就好像由多个单壁碳纳米管形成的同心结构。这些碳管的性能随着他们的长度和半径的变化而变化。 单壁碳纳米管的石墨片层结构可以通过手性向量描述（见图1），而且存在下面的关系： 图 1 碳纳米管的手性向量和手性角的定义[4] 其中，n，m是任意的整数。和是二维石墨片层晶格的单位向量。碳纳米管的方向则和的方向垂直。 手性向量的绝对值实际上碳纳米管的周长： 其中，a - 单位向量或的长度 这个a的长度和C-C键长的关系为： 对石墨来说，=0.144nm。碳纳米管则稍微比这个值大一点。 通过周长c，还可以得到碳管的直径：D=c/π。 另外，还可以通过下式推出手性角?（图1）： 式中的n，m是任意整数。 由上可见，碳纳米管的结构由整数对（n，m）就可以描述了。通过不同的（n，m）可以将碳纳米管分为三类：当n=m时，为扶手椅型碳管（?=0o）；当m=0时，为之字型碳管（?=30o）；当n≠m时，为手性碳管（0o＜?＜30o）。（n，m）的值决定了碳管的手性和光学效应，机械和电性能。当碳管的|n-m|=3q时，表现为金属性；当碳管|n-m|=3q±1时，表现为半导体的特性（q为整数）。 多壁碳纳米管可以是同轴圆筒形，同轴多边形和卷曲的石墨片层结构（如图2示）。 图2 多壁碳纳米管的不同模型：(a) 同轴圆筒形，(b) 同轴多边形，(c) 卷曲的石墨片层结构[5] 尽管如此，在大多数有关碳纳米管结构的讨论及模型处理过程中，均默认了碳纳米管的管身部分为圆筒形。例如，为了解电镜中碳管的成像规律，一般按图3所示假设，在一个多重同轴套构碳管上（默认为圆筒形而非多边形），先选这样一个小结构单元，它是一族与管壁相切的、面间距为0.34nm的[0002]石墨面，碳管的整个圆周，可看成是这一小结构单元绕管轴在空间沿管壁切向环绕360o当电子束垂直于管轴入射时，正空间中与电子束平行的管轴两侧的管壁，分别给出间距为0.34nm的石墨0002点阵条纹像（图4）。 实际上，只要电子束不是沿管轴入射，这两组管壁0002条纹总能清楚呈现，这是碳管高分辨率像 图3 一个多重同轴管的空间示意图[7] 图4 碳纳米管的高分辨率电镜像[5] 的基本特征之一。同时，垂直于电子束的上、下两壁平面单元，可在一定条件下给出石墨的[0001]带轴六角晶格像。 在正空间结构相对应，管轴两侧平行于入射电子束的平面单元，在倒空间中给出石墨000l（l为偶数)型强衍射点。而正空间中与入射电子束垂直的平面单元，则在倒空间给出石墨hk,0型衍射点。由于正空间中小平面单元绕管轴360o切向环绕，因而在倒空间中造成了000l型和hk,0型点绕过倒易空间原点并平行于管轴作360o旋转，旋转半径为各自的倒易矢长度。在倒空间中形成圆形轨迹（图5）[7]。这些圆形迹线所在平面（P1,P2,P3,…,C1,C2,C3,…）[7] 图 6 多壁碳纳米管的典型电子衍射谱[5] 图6是一典型多壁碳纳米管的电子衍射谱，图中000l型衍射点很强，是由于正空间中平行于入射电子束的两壁上的平面族正好满足带轴定律。相反，hk,0型点如图中的类点的强度则弱得多。在一张衍射谱上能看到互相垂直的两个带轴方向衍射谱，是这类管状结构衍射谱的特征[7]。另外，除了000l型以