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奈米科技概論期中報告奈米碳管 奈微所碩一 周伯印 Outline Introduction Structure of CNT Synthesis of CNT Process of growth CNT Properties of growth CNT Application of CNT Introduction Structure of CNT 碳材鍵結 碳原子電子組態1S22S22P2，為了形成共價鍵，其中一個2S 軌域之電子被提升到2P 軌域，此軌域以三個可能的方式混合： 石墨 鑚石 C60 石墨 將其中之一的2S 電子與兩個2P 軌域混成三個SP2軌域，彼此間在平面上呈120°，而在此平面上90°方向上留有Pz 組態的軌域；在石墨平面，兩碳原子間以SP2軌域形成很強的σ鍵，而在Pz或π軌域平面間提供較弱的凡得瓦力，在某一平面上之相鄰原子π軌域重疊，提供電子鍵結的網路，使石墨具有極高的導電性。 鑚石 每個碳原子以四面體結構與四個鄰近碳原子相結合，其鍵結為SP3軌域，是一個2S與三個2P軌域所混成的軌域；鑽石比石墨較不安定，在常壓下1700°C會轉變為石墨，高溫下不規則排列之含SP3 鍵結碳原子也會快速轉變為石墨碳。 C60 其碳原子間彼此鍵結成20個六邊形及12個五邊形所組成之二十面體結構，在C60的每一個碳原子與其他三個相鄰近的碳原子鍵結在一起，因彎曲之故，可能有少量顯示SP3的特性，但鍵結本身實際為SP2鍵結；注意， C60的所有60個碳原子皆相同，因此其應變完全均勻分布在整個分子上，雖然在一些高曲度區域可能有些SP3的特性，但在奈米顆粒及奈米碳管之鍵結主要仍為SP2。 Structure of CNT 奈米碳管向量表示法 C = na1 + ma2 多壁奈米碳管 在傳統電弧放電法製作的奈米碳管，至少含兩個同心石墨層以上，因此要說服兩同心圓筒與結構間相互關係的問題是一件重要的事，Zhang 與Reznik假設奈米碳管在結構上為同心圓，而非“類捲軸式”，由實驗結果指出大部分實際之奈米管皆符合此假設。 多壁奈米碳管 假設石墨管是由間距約0.334 nm 的同心石墨層組成，則其連續管間的圓周差異為(2π × 0.334) ~ 21. nm ，這對鋸齒形奈米管是不可能的，因2.1 nm 不是正確的0.246 nm 的倍數，即一個六邊形的寬度。假設兩個連續相鄰之圓管差9 排六邊形，它將造成管間間隔為0.352 nm，則可得到最接近的近似“正確的”分離。 電弧放電法(arc-discharge) 電弧放電法可製造高品質單壁及多壁奈米碳管。 1992年，首次成長高品質多壁奈米碳管。 1993 年，Bethune首先成功地使用含少量鈷催化劑在碳陽極，並大量合成單壁奈米碳管。 雷射剝蝕法(laser ablation) 化學氣相沉積法 (CVD) 氣相催化劑的成長 碳氫化合物、一氧化碳與催化劑顆粒反應已被證實可成長單壁奈米碳管。 Cheng 研究群採用苯當作碳源、氫氣作為運送氣體、二茂鐵為成長單壁碳管之催化先驅物。這種方法是將二茂鐵蒸發氣化後隨同苯與氫氣一起被送進反應爐管中，加熱到1100 ~ 1200°C，氣化的二茂鐵催化單壁碳管的成長；然而，因為苯的裂解溫度高達1200°C ，所以，此法會有非晶質碳形成，將是一個待解決問題。 氣相催化劑的成長 Smalley 使用的碳源是一氧化碳、成長溫度為800 ~ 1200°C。催化劑顆粒的產生是由於反應爐加熱至高成長溫度使五羰基鐵熱裂解而成，一氧化碳提供碳源經鐵催化劑顆粒作用而成長出奈米碳管。 此法成長的單壁碳管管徑約0.7 nm，幾乎與富勒烯分子大小相近，同時也發現加小量的甲烷到1000 ~ 1100°C 之高壓一氧化碳反應爐內可增加碳管的產量，甲烷供應碳源比一氧化碳更有效率。 以CVD 控制碳管成長 (一) 準直多壁奈米碳管結構 中國科學研究院的Xie 研究團隊使用CVD 法在多孔矽基板上的微細孔洞成長出準直多壁奈米碳管。 以CVD 控制碳管成長 (一) 準直多壁奈米碳管結構 Ren 採用電漿輔助CVD 法，通入乙炔、成長溫度為600°C ，在鍍鎳催化劑的玻璃基板上成長出相對較大管徑的多壁奈米碳管。 以CVD 控制碳管成長 (一) 準直多壁奈米碳管結構 Dai 研究團隊以CVD 法在圖案化 (patterned) 的催化劑基板上，研究規律排列的多壁和單壁碳管構造的成長方法。 以CVD 控制碳管成長 (二)單壁碳管定向性成長 規律性單壁奈米碳管的成長，可直接由 CVD 法在圖案化催化劑之基板上通甲烷成長。 單壁奈米碳管之結構與電性 多壁奈米碳管之結構與電性 場發射特性 奈米碳管導電性佳，且幾何結