奈米碳管的结构单层奈米碳管分类.PPTVIP

當紅炸子雞－奈米碳管 * 神奇的奈米碳管 何謂奈米？ 奈米(nm)是十億分之一米(10-9m)的長度單位。 何謂奈米科技？ 很多科學家相信奈米科技將會是繼蒸汽機與積體電路(IC)後第三次的工業革命。 奈米科技是指「使物質、材料在奈米等級下，會具有與一般不同且更佳特性」的科學與技術。因此，我國為了在奈米科技中不落於他國之後，特別將奈米科技列為國家重點發展科技。 碳材的發展史 在奈米碳管發現前，碳的就一直為人們所注意，從不起眼的煤炭，可用於燃燒生火；璀璨生輝的鑽石，不僅可用於裝飾，更可用於切割玻璃等堅硬的物質；導電性良好的石墨，可用於電池的電極；微小的碳纖維，可用於各項複合材料中，增加材料的強度。這些碳所構成的東西，已經在我們生活中成為不可或缺的一部份。 ◎碳與人類生活 碳材的發展史 ◎碳元素的結構－同素異構物 石墨 鑽石 碳六十 奈米碳管 神奇的奈米碳管 Carbon Nanotube 奈米碳管的發展史 ◎奈米碳管的發現 1991年時，日本飯島(Iijima)教授所發現 奈米碳管的結構 ◎奈米碳管的掃瞄式電子顯微鏡SEM結果 奈米碳管的結構 ◎奈米碳管的穿遂式電子顯微鏡TEM結果 奈米碳管的結構 ◎奈米碳管的結構示意圖 奈米碳管的結構 ◎奈米碳管分類－依石墨層數來分 多層奈米碳管(MWNTS) 單層奈米碳管(SWNTS) 奈米碳管的結構 ◎單層奈米碳管分類－依石墨層捲曲方式 arm-chair 扶椅型 zigzag 拉鍊型 chiral 對掌型 (n.m)=(5.5) (n.m)=(9.0) (n.m)=(10.5) a1 a2 奈米碳管的結構 ◎石墨層捲曲方式 用二維向量(n , m)來表示石墨層捲曲的方式，其中n和m被限制為大於零的整數，且n m。 表示以六碳環組成之平面，以某一向量Cn =(n , m)之六碳環捲成圓桶狀並與(0,0) 六碳環重合時，即可得一SWNT。 螺旋角(chiral angle)θ θ=0o，即m=0時為zigzag型； θ=30o，即n = m為arm-chair型； 0oθ30o時為chiral型 奈米碳管的結構 ◎石墨層捲曲方式 arm-chair chiral a1 a2 半導性 金屬性 (1.0) (0.0) (3.0) (2.0) (5.0) (4.0) (7.0) (6.0) (9.0) (8.0) (11.0) (10.0) (121.0) (1.1) (3.3) (2.2) (5.5) (4.4) (7.7) (6.6) 電子能帶理論推導，符合n – m = 3q （q為零或正整數）條件的SWNT具金屬性（價帶與導帶重疊），其餘則具半導性（價帶與導帶間有能隙） zigzag 奈米碳管的應用與性質 ◎強化複合材料及高強度結構體 由於奈米碳管具有非常好的機械強度(強度比鋼高100倍，有非常高的楊氏係數、可以達到15%的伸長量、高韌性)，又具有低重量得特性(比重只有鋼的1／6)。故非常適合加入金屬、陶瓷和高分子中，一起作為複合材料，可應用在需要強度高、重量輕方面的應用上，比方飛機的結構體、運動器材、各種建築材料等，具有相當大的應用潛力。此外奈米碳管及碳纖也可以與塑膠形成複合材料，可作為吸收電磁輻射的材料，可應用於隱形飛機上。 奈米碳管的應用與性質 ◎強化複合材料及高強度結構體 奈米碳管的應用與性質 ◎儲氫材料的應用 Dollin發現單層奈米碳管在溫度為133K，壓力為300torr，可以吸收5 wt%－10wt%的氫。這對於解決燃料電池的瓶頸之一就是氫的儲存問題是一項重大的突破。美國一份氫能報告(1992,DOE/CH10093-147)指出，如果要應用於氫能燃料電池方面，儲氫的容量必須達到63 kg/m3，或者說必須要有6.5wt%的氫溶於碳。而奈米碳管具有獨特的結構和形貌，具有極高的表面吸附面積，造成了奈米碳管極佳的儲氫能力。 奈米碳管的應用與性質 ◎高功率電化學電容的應用 電化學電容器(Electrochemical Capacitor)，又被稱為super capacitor或ultra capacitor，它們具有高功率，可耐超過10,000次以上循環。目前文獻上報導利用奈米碳管，其能量密度可高達8000W/kg 奈米碳管的應用與性質 ◎顯微鏡(AFM、STM)掃描探針的應用 原子力顯微鏡(AFM)的解析度取決於探針的曲率半徑。目前市面上使用的的探針是角錐狀的Si或Si3N4，理論上它尖點的曲率半徑可以做到小至10nm，不過大部分商業化的產品都比這個曲率半徑大。而因為奈米碳管尖端的曲率半徑極小，所以奈米碳管是一種非常適合當作探針的材料，尤其是單層的奈米碳管其直徑僅1nm，同時又有好的機械強度，更為適合。圖1-