介绍SWCNT和MWCNT的三维结构特征

碳有一种令人难以置信的性能，即它能自如地以不同比例构成物理结构完全不同的分子。现代有机化学的开端是，科学家们对使用碳化合物合成过程中生成的碳簇进行实验日益增长的兴趣。有了对碳的一种普遍存在形式———石墨的深刻理解，人们就开始了对与碳相关的化合物进行研究。在碳簇中发现了痕量C₆₀分子，它是一个足球状的富勒烯分子，由60个碳原子构成，且这60个碳原子分布在一个切顶二十面体^[1]的顶点上。Kratschmer等人发现了大量生成C₆₀分子的方法，这为全球各地科学家、化学家和材料科学专家们对与碳相关的化合物进行大规模研究提供了平台。

图16.1 SWCNT三维图（其两端各带半个富勒烯分子）

日本NEC公司实验室的电子显微镜专家Iijima^[2]，在一个电弧蒸发箱的阴极发现了管形的富勒烯。而在这之前，该领域内一直无重大发现的报道。此后，电弧蒸发工艺导致了高质量的CNT^[3]大规模生产。1992年Iijima发表了第一篇关于CNT的论文———《石墨碳的螺旋状微管》（Helical Microtubles of Graphitic Carbon），这开辟了CNT研究的新纪元。形象地说，我们可以这样来理解CNT，它更像一个加长的富勒烯分子，在其两端各带有半个巴基球，以形成一个囊状密封碳结构。图16.1所示为一个单壁碳纳米管（SWCNT）的三维图（注意，这幅图只描述了SWCNT的基本形态，它并不包含六边形骨架）。

通过扫描隧道显微镜进行的相关研究有力证明了，CNT能够以各种各样的手性形状^[4]和层次结构^[2]存在。使用原子力显微镜进行的相关研究揭示了CNT表现出的令人惊异的机械性质^[5]和电气性质^[6]。根据CNT的层次性质，它可被分成两大主要类型———单壁碳纳米管（SWCNT）和多重壁纳米管（MWCNT）。在合成CNT时，存在接触反应和非接触反应两种方式，而非接触反应的电弧蒸发方法更普遍。这不仅是因为它能大批量地生产高质量的CNT，而且还因为这种机制背后的工作原理与其他技术相比得到了更好的理解。

在碳纳米技术的发展潮流中，SWCNT有更好的前景，这归功于它们巨大的表面积、高的纵横比和其能为各种功能提供大容量的场所等良好性能。SWCNT现主要用于电子产业，即以其分子量子线^[7]来代替互连网线，这预示着很高的传导率。最近晶体管领域的进步已证明，基于SWCNT的场效应晶体管具有高效益、高转换速度等优良的设备特性，而且其在室温下完全可用^[8]。(www.xing528.com)

图16.2 一个由五个同轴圆柱体构成的MWCNT三维图，N＝5

MWCNT被更多的外层加强，在形态上与SWCNT不同。其内的电子转移不能被当作一维传导，因为在其内部有许多层的石墨原子层，这些石墨层围绕在最内层圆柱的周围，如图16.2所示。大多数原子力显微镜技术用于对MWCNT的拉伸和弹性性质进行研究^[9，10]。对MWCNT机械性能进行的有关研究，已引发了MWCNT在消费产品的工业化和商业化等方面的建设性应用。例如，在扫描探测显微镜中，MWCNT被用作加固光纤材料和场发射尖端。

总而言之，CNT的性质由它的合成方式决定，而它的合成方式又决定了它的适用范围。以下描述的是基于CNT结构和电学性质的各种不同的分类方法。