碳纳米管范文精选

【摘 要】碳纳米管因独特的物理、化学性能、小曲率半径、高的热稳定性、高电导率而受到了人们的极大关注[1]。重要的是，碳纳米管在场发射器件中是最有应用前景的材料之一，为了提高场发射性能，科研工作者在碳纳米管复合物方面进行了大量的研究，目的是制备具有良好场发射性能的材料。在本文中，我们使用RF-PECVD技术合成了碳纳米管/分支碳纳米管的复合物。通过改变二茂铁的含量来控制碳纳米管/分支碳纳米管的复合物中分支小管的直径，并研究了其生长过程。

【关键词】碳纳米管；等离子体增强化学气相沉积；分支碳纳米管

0 引言

二十多年来，碳纳米管因优异的场发射性能受到了人们的极大关注[2]。其独特的几何结构，高的场增强因子，从而使碳纳米管跻身于理想场发射材料的候选人之列。如何进一步提高碳纳米管的场发射性能是近年来研究的焦点之一。除通过各种技术改变碳纳米管自身的特点之外（例如直径大小、碳管之间的距离、缺陷度等），部分研究聚焦在如何通过复合提高碳纳米管的场增强因子（分支碳纳米管等）[3]，另一部分聚焦在通过复合减少电子发射势垒（氧化锌、氧化钡、氧化锶、氧化镁等材料）[4]。这些复合材料分别不同程度地提高了碳纳米管的发射电流密度和发射稳定性。

在本文中，我们使用RF-PECVD技术合成了碳纳米管/分支碳纳米管的复合物，并对此复合物的生长机理进行了探讨。

1 实验部分

为了生长碳纳米管/分支碳纳米管的复合物，我们通过磁控溅射技术在硅片上沉积了约20nm厚Ti薄膜，然后，在Ti膜上镀了15nm厚的Co膜作为催化剂。铁纳米颗粒是通过气相传输过程涂覆在垂直排列的碳纳米管上。为了合成了分支碳纳米管，首先，取两端被厚钢板密封的陶瓷管，其管径为6mm，在两片钢板的中心位置分别钻一个小孔，将高纯度的二茂铁（0.01）放在陶瓷管里面，然后，将陶瓷管的两端用两片薄的钢板封住，用短而细小的铝线将薄的钢板牢牢地固定在陶瓷管上，以防止二茂铁在升温过程中快速挥发。将事先沉积在硅片上的碳纳米管放在气流下端，距离陶瓷管4mm处。随着温度的升高，我们通过反应室的窗口可以看到铝线逐渐熔化，在800℃附近，我们发现两块薄钢板开始慢慢偏离陶瓷管两端，此时，二茂铁分解出来的铁原子将会在碳纳米管的管壁上快速聚集成铁的纳米小颗粒，我们开启射频电源，调节功率为230W，基底温度保持在800℃，CH4、H2的流量比为15/80sccm，沉积时间20min。随后，系统在H2的气氛下冷却至室温，我们得到了分支碳纳米管复合在碳纳米管上的复合体系。

我们用扫描电镜、透射电镜分别对样品进行了表征，透射电镜样品的制备方法是用薄的刀片对硅片上的样品进行剥离，然后，将样品放在微栅网上进行测试。

提起纳米碳管，很多人都知道，那可是纳米科技中的明星。纳米碳管是由碳原子组成的中空的纳米管状分子，强度和钢材相当，密度只是钢的1／6；它可以用来存储氢，储氢效率比现有的储氢材料高出一倍；纳米碳管中空'的结构可被利用开发药物输运载体；奇特的电学特性可以被用来制作未来分子计算机中的晶体管，等等。

不过，说起纳米艺术和纳米碳管艺术，大多数人还真没听说过：难道纳米、纳米碳管也可以用来搞艺术?

纳米艺术是近几年才出现的新生事物，是随着纳米科技的飞速发展而产生的纳米学科分支。作为纳米科技的“明星”，纳米碳管当然不能被排除在外，它是纳米艺术中的主角。

现在，科学家或者纳米艺术家已经可以用纳米碳管做平面绘画、三维造型、纳米碳管扬声器、纳米收音机、纳米琴弦、SPM(扫描探针显微镜)绘画的“画笔”等。另外，科学家们做纳米碳管理论研究时也常常发现，纳米碳管的分子构型、周围的电磁场等通常也都具有一定的艺术欣赏性。

纳米碳管平面绘画艺术

说起纳米碳管平面绘画艺术，最值得一提的要算前一阵在媒体上被炒得沸沸扬扬的“纳米奥巴马”头像了。纳米奥巴马头像是由美国密歇根州立大学机械工程系教授约翰・哈特制造的。如图1所示，每个纳米奥巴马头像包含着1.5亿个纳米碳管，这些纳米碳管像丛林中的树木一样垂直地排列着，每个纳米碳管都是中空圆柱体结构，直径仅为人类头发的五万分之一。据称，为了创建“纳米奥巴马”头像，哈特教授模仿了画家谢泼德・费尔雷绘制的奥巴马素描。首先，哈特将素描头像缩小，并使用激光将头像打印在一块玻璃板上；然后，用紫外线照射模板。当紫外线穿过这个玻璃板模具时，会在一张硅薄片上形成相应的投影头像；接着，他在这个头像图形的基础上生成纳米碳管，在制造纳米碳管时采用了高温催化化学反应；最后，使用电子显微镜对纳米奥巴马头像进行拍照，得到了头像仅有0.5毫米大小的纳米艺术作品。

事实上，像这样用纳米碳管进行平面绘画，对约翰-哈特教授来说并非第一次。早在2006年，哈特就因采用了类似的方法绘制了40个Playboy的纳米碳管小兔子画像而名声大噪。如图2所示，当时绘制的每只兔子的尺寸仅为100多微米。目前，这种纳米碳管的平面绘画技术已经比较成熟。

纳米碳管三维造型艺术

所谓纳米碳管是指将碳六角网面卷成封闭无缝筒状结构的物质，其直径从亚纳米(小于1纳米)到50纳米左右(1纳米＝10-9米)，中间有被称之为布基管的空管。做一个形象的比喻，我们将直径l纳米的球比喻为1厘米的玻璃球，则直径1米的球相当于地球那么大。

奇怪的物质特性

纳米碳管的形状是独特的，而且其优异的性质更是让世界大吃一惊。例如纳米碳管根据直径的大小或碳原子的排列方式不同，它会成为良导体的“金属”或者具有一点导电性的“半导体”。这是非常不可思议的。铜、铁等金属无论何时总是金属，普通的橡胶总是不导电的“绝缘体”而纳米碳管仅由碳构成，却有时是金属，有时是半导体，通常物质是不会具有这种特性的。

目前，科学家已经利用纳米碳管这种性质制造出了场效应晶体，实现了比原来硅晶体更好的性能。所谓晶体管是可用于信号放大或开关等的元件，能够将多个半导体组合在一起制造。如果利用极细的纳米碳管，最终能实现单个电子都能控制的晶体管，科学家预测将来用它代替硅。

纳米探针“眼睛”

作为观察原子的高技术显微镜之一的扫描型探针显微镜，用纳米碳管做该显微镜的“眼睛”，将纳米级的探针最大限度地靠近试样表面，感知作用在试样与探针之间原子的力或微弱电流，查明试样表面原子级的凹凸程度。显然，探针越细越尖，显微镜的精度越高。纳米碳管是纳米尺寸，非常细且强度高，因为还有弹性，与目前正在使用的硅探针相比，具有难以损坏的长寿命。用纳米碳管作为纳米世界的“眼睛”，甚至可以观测蛋白质的微细结构。

显示器的能耗低

纳米碳管的研究中，最引人注目的是它在低功耗平板电视上的应用。纳米碳管在显示器中作为电子枪使用，一旦在纳米碳管上施加电压，电子从其前端像枪弹似地发射出，这是所谓的“场致发射”现象。如果这个电子撞上涂在玻璃屏上的荧光涂料，荧光涂料就会发光。一般在金属的尖端，容易引起场致发射，用低的电压射出。多次实验论证，用极细且强度高的纳米碳管作电子枪是最好的材料。世界上率先开发出以纳米碳管为电子枪的荧光管，首先是将多个这样的荧光管排列，组成非常高的电光告示牌。

摘要：碳纳米管作为最重要的纳米材料之一，其研究越来越得到人们的重视。文章主要综述了单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的差异。

关键词：单壁碳纳米管；多壁碳纳米管；差异

中图分类号：TQ342.7 文献标识码：A 文章编号：1000－8136（2012）09－0014－02

碳纳米管是一维纳米材料，可称为纳米材料之王，重量轻，六边形结构连接完美，具有许多异常的力学、电学和化学性能。碳纳米材料在纳米材料技术开发中举足轻重，它将影响到国民经济的各个领域，是国际上研究的热点及难点。

碳纳米管按照石墨烯片的层数简单分类为：单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。此外二者还有其他差异，现综述如下：

1发现时间

单壁碳纳米管：1993年S.Iijima［1］等和DS.Bethune等同时报道了采用电弧法，在石墨电极中添加一定的催化剂，可以得到仅仅具有一层管壁的碳纳米管，即单壁碳纳米管产物。

多壁碳纳米管：1991年日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家Iijima［2］在高分辨透射电子显微镜下检验石墨电弧设备中产生的球状碳分子时，意外发现了由管状的同轴纳米管组成的碳分子，现在被称做的“Carbon nanotube”，即碳纳米管，又名巴基管。Iijima发现的碳纳米管最小层数为2，含有一层以上石墨片层的则称为多壁碳纳米管。

碳纳米管负载铂-二氧化钌纳米颗粒用于葡萄糖传感器的研究

引 言?

糖尿病是世界性的多发病和常见病，它严重威胁着人类健康，是仅次于心血管病和癌症的第三大危险疾病。糖尿病的诊论文联盟断和治疗是全世界生物医学工程界面临的重大课题。酶电极葡萄糖生物传感器是检测葡萄糖浓度最常用的方法之一，但是这种方法的催化活性和稳定性不高，并且受温度、湿度以及ph值的变化影响较大。因此，寻找新材料、新方法制备电流响应值高的新型葡萄糖传感器非常必要。?

碳纳米管是优良的催化剂载体，不仅具有较大的表面积和较高的电子传递速率，同时还具有独特的电学和力学性能，在电化学反应中可以作为优越的电子传递媒介。因此，越来越多研究者将碳纳米管应用于电化学传感器领域??\[1～8\]?。?

纳米级的金属颗粒表现出不同于宏观金属材料的优异性能，这种分散的金属颗粒在多种化学和电化学反应中具有良好的催化性能。如pt纳米粒子具有表面积大、表面活性位点多，在很多重要的反应中起着有效的催化作用，如对甲醇的电催化氧化??\[9,10\]?及对o?2的电催化还原??\[11\]?等。此外，贵金属纳米粒子具有很好的化学稳定性。本研究组曾尝试通过液相化学还原法将pt纳米粒子负载于碳纳米管，制备了pt/mwnts无酶型葡萄糖传感器??\[12\]?，将ptru纳米粒子负载于碳纳米管，制备了ptru/mwnts无酶型葡萄糖传感器??\[13\]?。?

二氧化钌是一种金属氧化物，其大部分的研究都集中在电化学电极材料方面??\[14\]?。本研究将铂?二氧化钌负载在碳纳米管上，制备成ptruo?2/mwnts无酶型葡萄糖传感器，将其用于葡萄糖的测定。与已制备的pt/mwnts、ptru/mwnts葡萄糖传感器相比，此传感器表现出响应时间更短、灵敏度更高、检出限更低等特点。

2 实验部分?

2.1 仪器与试剂?

碳纳米管具有奇异的物理化学性能，如独特的金属或半导体导电性、极高的机械强度、储氢能力、吸附能力和较强的微波吸收能力等，90年代初一经发现即刻受到物理、化学和材料科学界以及高新技术产业部门的极大重视。应用研究表明，碳纳米管可用于多种高科技领域。如用它作为增强剂和导电剂可制造性能优良的汽车防护件；用它作催化剂载体可显著提高催化剂的活性和选择性；碳纳米管较强的微波吸收性能，使它可作为吸收剂制备隐形材料、电磁屏蔽材料或暗室吸波材料等。碳纳米管被认为是一种性能优异的新型功能材料和结构材料，世界各国均在制备和应用方面投入大量的研究开发力量，期望能占领该技术领域的制高点。

我所于1996年开始碳纳米管的制备研究，1998年得到中科院院长基金的特别支持，之后又参与了国家创新工程重大项目“碳纳米管和其它纳米材料”的研究工作。到目前已取得了一系列阶段成果，如开创了碳纳米管沸腾床和移动床催化裂解制备技术，为大规模制备碳纳米管探出了新路子；探索了碳纳米管用作催化剂载体、锂离子电池负极材料和电双层电容电极材料的可能性；首次提出将碳纳米管用作微波吸收剂，并发现了碳纳米管的宽带微波吸收特性；在制备设计尺寸的碳纳米管方面也有了积极进展。

一、碳纳米管的批量制备

碳纳米管要实现工业应用，首先必须解决碳纳米管的低成本大量制备问题。碳纳米管自1991年被发现以来，其制备工艺得到了广泛研究。目前，有三种主要的制备方法，即电弧放电法、激光烧蚀法和固定床催化裂解法。电弧放电法和激光烧蚀法制得的产物中，碳纳米管均与其他形态的碳产物共存，分离纯化困难，收率较低，且难以规模化。第三种固定床催化裂解法由天然气制备碳纳米管具有工艺简便、成本低、纳米管规模易控制、长度大、收率较高等优点，有重要的研究价值，但该方法中催化剂只能以薄层的形式展开，才会有好的效果，否则催化剂的利用率就低，因而产量难以提高。

沸腾床催化裂解反应工艺气固接触良好，适合处理大量固体颗粒催化剂，用沸腾床催化裂解法代替固体床催化裂解法可大幅度提高碳纳米管的制备量。

在沸腾床催化裂解反应器中，原料气体以一定的流速通过气体分布板，将气体分布板上活化了的催化剂“吹”成“沸腾”状态。催化剂颗粒一直处于运动之中，催化剂颗粒之间的距离要比固定床中催化剂颗粒之间的距离大得多，催化剂表面上易生长出直的碳纳米管，又因催化剂颗粒之间的相互碰撞，碳纳米管容易从催化剂表面脱出。这两种作用的结果保证了直而开口率高的碳纳米管的形成。同时沸腾床中催化剂的量可以大量增加，原料气体仍能与催化剂表面充分接触，保证了催化剂的高利用率。

尽管沸腾床催化裂解法在碳纳米管的批量制备上有了较大突破，但与碳纳米管所有的现有制备方法一样，只能间歇操作，不利于低成本大批量碳纳米管的制备。

要实现碳纳米管的大批量制备，必须首先解决催化剂连续投放问题和催化剂与产物及时导出的问题。这们的研究表明，通过特殊的反应装置和工艺可以实现碳纳米管的连续制备，从而达到低成本大批量制备碳纳米管的目的。

摘 要：碳纳米管从物理和化学方面都具有独特性，它的应用范围广泛，从汽车防护零件到修饰电机，从氢气的储存到微波吸收等等，都得到了广泛的应用。所以碳纳米管的发现是材料学，工程制备的一个优秀成果。本文从碳纳米管的发现，到对它的简介，特性的应用以及目前存在的一些亟需解决的问题进行了阐述。并提出了对它未来发展的建议和展望。

关键词：碳纳米管；制备应用；特性；微波吸收

中图分类号：TB393 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2013） 10-0031-01

一、发现与初步特性研究

碳纳米管是在1991年由日本科学家发现并做出了报道。是在实验中用高倍的隧道显微镜意外观察到的，由于全部由碳原子形成，而且是石墨按一定形式叠合组成，所以称它为碳纳米管。经过进一步的细致研究，发现碳纳米管表面扩张的强度好，可耐2000多度以上的高温，并且导热性能快，导热率高，电负载能力远远超过铁铜等普通金属。所有这些特性，让碳纳米管具备了进行加工，变成适合实际应用的复合材料的条件。按目前的划分，主要把碳纳米管制备成结构和功能量大复合材料类型。碳纳米管的初步特性：它具备了优越的导电性能，这些性能与碳纳米管自身的特殊形成结构有着密切的关系。从碳纳米管的自身形成结构来讲，碳纳米管和石墨的片层结构可以说是基本相同的，众所周之，石墨具备优越的电学性能，因此它也具备了优越的电学性能。经过研究初步认为它的导电性能与自身的管径和他的管壁形成螺旋角度有关。如果管径大于6毫米的情况下，导电性能会大幅度的下降；相反的，如果小于这一临界数值，就可以具备一维量子导线的优越导电性。碳纳米管在力学方面也有自身的特点，尤其表现在抗扩展性方面，在强度和韧性方面性能突出。从机构来分析碳纳米管碳原子之间的距离很短、自身管径较小，结构自身就具有优越性，铜金属要远远逊色于碳纳米管。所以它在符合材料方面的发展不可限量。

二、碳纳米管实现应用的制备过程

碳纳米管如果想完场大批量的工业等方面的应用，一定要先实现低成本情况下大量的制备。碳纳米发现以后，如何制备它并且采取何种工艺是人们研究的热点。可以说在制备方法上，有许多成功的案例。它们互有优劣。下面列举几个常见方法，加以说明。早期的床催化裂解法工艺相对简单，经济成本较低，可以体现碳纳米管的物理特点。但它也有不足，催化剂与碳纳米管的接触不足，催化剂不能高效工作，产量低，不适合大批量生产。因此对设备进行了相应改进，采用沸腾床，加大接触面积，让催化剂不断实现颗粒的运动状态，提高了催化剂的效率，增加了碳纳米管的产量。直到现今设备的优化仍在不断进行。常用的还有利用机械力和磁力搅拌实现分离出碳纳米管的溶液共混复合法。目的是让碳纳米管均匀分散在聚合物溶液中，再将多余的溶剂除去后即可获得聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法的优点是操作简单、方便快捷，常常用于制备膜类材料，比如，树脂类符合材料，烯类等符合材料。利用转子实现剪切力量从而制备碳纳米管的方法熔融共混复合法：是可以避免溶剂或表面活性剂对复合材料的污染，复合物没有发现断裂和破损，但仅适用于耐高温、不易分解的聚合物中同时还有将碳纳米管分散在聚合物单体，加入引发剂，引发单体原位聚合生成高分子，得到聚合物/碳纳米管复合材料。这种方法被认为是提高碳纳米管分散及加强其与聚合物基体相互作用的最行之有效的方法。以上各种方法，优势明显但也存在这不足。适合根据生产制备材料的分类进行选取，也适合对制备的设备进行优化，来进一步提升碳纳米管的制备效率。

三、目前碳纳米管的应用范围

摘要：碳纳米管以其优异的性质受到了多个领域研究者的广泛关注，本文就碳纳米管的基本性质、用途及生物安全性等方面做一简要介绍。

关键词：碳纳米管；性质；用途

文章编号：1005－6629(2009)03－0052－03中图分类号：O635.1文献标识码：E

碳纳米管是由一层或多层石墨按照一定方式卷曲而成的具有管状结构的纳米材料。自从1991年日本科学家Sumio Iijima发现碳纳米管以来，碳纳米管以其优异的热学、力学以及光电特性受到了化学、物理、生物、医学、材料等多个领域研究者的广关注[1]。其中单壁碳纳米管的发现和应用曾被国际权威杂志《Science》评为1997年度十大科学发现之一。碳纳米管给物理学家提供了研究毛细现象机理最细的毛细管，给化学家提供了进行纳米化学反应最细的试管。诺贝尔化学奖得主Smalley教授认为，基于碳纳米管的新技术，将有可能解决人类目前所面临的能源危机、水资源缺乏以及太空旅游等问题。本文就碳纳米管的基本性质、用途及生物安全性等方面做一简要介绍。

1 碳纳米管的分类及性质

按照石墨层数分类，碳纳米管可分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管；按手性可分为非手性管和手性管，其中非手性管又可分为扶手椅型管和锯齿型管；按导电性能可分为导体管和半导体管；按照排列状况又可分为定性排列型和无序排列型[2]。碳纳米管具有优良的力学性能，它的拉伸强度是钢的100倍，而密度却只有钢的六分之一，其强度及韧性均远优于其他纤维材料；它还具有独特的电学性能，在一定条件下，它可作为半导体、导体乃至超导体；在电场作用下，碳纳米管还可以产生电致发光现象。

2碳纳米管的应用

2.1纳米温度计

摘要：碳纳米管的发现是碳团簇领域的又一重大科研成果，本文探讨了碳纳米管的结构、特性、活化方法，评述了这种纳米尺寸的新型碳材料在电化学器件、氢气存储、场发射装置、碳纳米管场效应晶体管、催化剂载体、碳纳米管修饰电极领域的应用价值，展望了碳纳米管的介入对全球性物理、化学及材料等学科界所带来的美好前景。

关键词：碳纳米管 结构 性质 应用

1 碳纳米管的发现

1991年，日本nec 科学 家iijima在制取c60的阴极结疤中首次采用高分辨隧道 电子 显微镜(hrtem)发现一种外径为515nm、内径213nm、仅由两层同轴类石墨圆柱面叠合而成的碳结构。进一步的分析表明，这种管完全由碳原子构成，并看成是由单层石墨六角网面以其上某一方向为轴，卷曲360°而形成的无缝中空管。相邻管子之间的距离约为0.34nm，与石墨中碳原子层与层之间的距离0.335nm相近，所以这种结构一般被称为碳纳米管，这是继c60之后发现的碳的又一同素异形体，是碳团簇领域的又一重大科研成果[1]。

2 碳纳米管的结构

碳纳米管（cnt）又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料。它是由单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷绕而成的无缝、中空的“微管”，每层由一个碳原子通过sp2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的六边形组成的圆柱面。根据形成条件的不同，碳纳米管存在多壁碳纳米管(mwnts)和单壁碳纳米管(swnts) 两种形式。mwnts一般由几层到几十层石墨片同轴卷绕构成，层间间距为0.34nm左右，其典型的直径和长度分别为 2-30nm0.1-50μm.swnts由单层石墨片同轴卷绕构成，其侧面由碳原子六边形排列组成，两端由碳原子的五边形封顶。管径一般从10-20nm，长度一般可达数十微米，甚至长达20cm[2]。

3 碳纳米管的活化

一般认为，在碳纳米管表面引入一些电活性基团，经过活化才能有较好的电化学响应。活化的方法一般分为两类：①在制成电极前对碳纳米管进行活化，包括在气相中用空气或等离子体氧化或用酸(主要是浓hno3)氧化。以浓hno3处理碳纳米管的方法是：将碳纳米管在浓硝酸中浸泡10小时后，100℃浓硝酸回流5-6小时。再将得到的悬浊液离心分离、烘干，得到粉末状开管硝基化的碳纳米管。取1mg分散至3ml的n-n-二甲基甲酰胺（dmf）中，超声分散15分钟，备用。②制成电极后，用电化学方法进行活化，即将碳纳米管电极在一定溶液中(如磷酸盐缓冲溶液)于一定电位范围内循环扫描。经过活化以后，根据所用介质的不同，可以在碳管表面引入含氧、甚至含硫的基团，一般包括羟基、羰基、羧基、酚类和醌类化合物等，这些电活性基团可以催化或促进其他物质的电子传递反应。

摘 要：碳纳米管由于独特的结构和奇异的性质而备受关注，本文阐述了碳纳米管的各种性质及其应用；并探究了碳纳米管材料在物理化学生物等方面的应用前景。

关键词：碳纳米管；结构；性能；应用前景

基金项目：陕西省大学生创新创业训练项目（1764）（校级：2014XK084）

碳纳米管（CNTs）于1991年由NEC研究所的Sumio Iijima首次发现。碳纳米管[1]由于其独特的结构和奇特的物理、化学和力学特性及其潜在的应用前景而倍受关注，并迅速在世界上掀起了一股研究的热潮。

1 碳纳米管的电学性质及应用

碳纳米管的结构和几何特点决定了其电子学上的独特性，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。目前碳纳米管应用研究的最大领域是电子学领域[2]。理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。当CNTS的管径大于6mm时，导电性能就下降；当管径小于6mm时，可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。由于电子的量子限域所致，电子有效的运动只能在单层石墨片中沿碳纳米管的轴向方向，径向运动受到限制，因此它们的波矢是沿轴向的。在碳纳米管周围传播的电子只有特定波长的电子被保留下来，其他的则可能完全被抵消，在石墨片里，物理上称为费米点的特殊电子态决定了它的全部导电性，其它态的电子则完全不能自由运动。只有三分之一的碳纳米管具有恰当的直径和螺旋程度，使其允许状态里含有这个特殊的费米点，这些碳纳米管具有金属性，其余三分之二则是半导体。在半导体性质和金属性质的碳纳米管之间可以形成整流结。利用这种特殊的电学性能，碳纳米管可用来制作场效应晶体管[3]。由于碳纳米管的尖端具有纳米尺度的曲率，在相对比较低的电压下就能够发射大量的电子，因此，碳纳米管材料能够呈现出良好的场致发射特性，非常适合于用作各种场致发射器件的阴极。实验观察到的碳纳米管上的点缺陷会导致碳纳米管局部呈肖特基势垒或异质况，利用这个特性可以制作尺度非常小的纳米电子器件。因为碳纳米管在物理性质上有明显的量子特点，故可能成为下一代微电子和光电子器件的基本单元。

2 碳纳米管的力学性质及应用

碳纳米管的力学性质一度成为纳米技术研究的热点，理论计算表明，碳纳米管具有极高的强度和极好的韧性。它的强度大约为钢的100倍，而密度却只有钢的1/6。理论和实验研究结果表明，单壁碳纳米管的杨氏模量可达到1TPa，与金刚石相当。碳纳米管还有极好的韧性而不脆，在轴向施加压力或弯曲碳纳米管时，当外加压力超过强度极限或弯曲强度时，碳纳米管不会断裂，而是首先发生大角度弯曲，然后打卷绞结在一起形成类似“麻花状”物体，当外力释放后碳纳米管又恢复原状。在垂直于碳纳米管的管轴方向具有极好的韧性，它被认为是未来的“超级纤维”，因此碳纳米管有可能成为一种纳米操作工具。由于碳纳米管具有极高的比强度、比杨氏模量，被认为是一种理想的先进复合材料的增强体，因此关于碳纳米管复合材料的研究也成为其应用研究的一个重要领域。碳纳米管无论是强度还是韧性，都远远优于任何纤维，将碳纳米管作为复合材料的增强体，预计可表现出良好的强度、弹性、抗疲劳性及各向同性，预期碳纳米管增强复合材料可能带来复合材料性能的一次飞跃。Baughman等人在碳纳米管的基础上，研制出微型换能器，这种器件在很小的电压下就能产生相当大的形变。Kim等人利用碳纳米管设计开发出纳米镊子，当外加电压从0V增加到8.3V，纳米镊子尖端的距离减小到原来的1/2；当电压达到8.5V时，纳米镊子突然合上。这种纳米镊子不仅可以用于操纵原子和纳米团簇，还可以用于STM/AFM的探针[4]。