碳纳米管技术目前在世界范围内还处于实验室研究阶段,但无论是纳米管的制备技术还是应用技术,都取得了可喜的进展。

 

5.3

碳纳米管的制备技术

纳米科技是20世纪80年代末、90年代初逐步发展起来的前沿性、交叉性的新兴学科。美国、日本、德国等发达国家已经为纳米科技研究投入了大量人力物力,其中日本在碳纳米管的制备领域成就最为突出。

碳纳米管的发现

1985年,美国科学家理查德 · 斯莫利首先发现C60分子的富勒烯结构——像足球一样,呈中空网状结构。在其中填充不同的金属原子等,就能够使它具有超导体或半导体性质,因而有可能成为取代硅半导体的新型电子材料和医用材料。在此基础上,日本科学家饭岛澄男1991年又发现了管状C60分子——碳纳米管。它是由碳原子构成的六角形网状圆桶形结构,强度超过钢铁,导电性能优于铜,导热性能胜过钻石,用途广泛,因此被视为纳米材料中的希望之星。这种材料的基本制造方法是使用电弧放电法,即在两根石墨电极之间放电,使石墨电极蒸发,形成碳纳米管。

碳纳米管多种制备技术

催化剂气相分解法 昭和电工公司从1998年起开始研究催化剂气相分解法。它使用1000摄氏度高温的反应炉,以钴或铁为催化剂,把碳氢化合物苯分解,使碳分子附在催化剂的微粒上而产生碳纳米管。目前,该公司每小时能生产200克的碳纳米管,被认为是最有希望达到大批量生产水平的制造技术。

电子束激化法 大阪瓦斯公司用镁作为还原剂,使聚四氟乙烯树脂脱氟,制成三价碳中间体作为碳原子的供应源,然后在真空条件下加热,利用电子束等的激发作用制作碳纳米管。改变电子束激发的强弱,还能够控制碳纳米管的长度、直径及形状等,产出率可达50%。这种碳纳米管适合于制造储氢材料。

激光照射法 由日本电气公司开发的激光照射法,即向混有金属的碳材料照射激光而获得碳纳米管。其优点是产品的纯度高、质量好,缺点是难以进行大批量生产。

其他制备技术 东芝公司则以碳化物为基板,在200至1500摄氏度的温度下使之与氯或氟等气体接触,制做碳纳米管。索尼公司采取的方法是使用像富勒烯结构(即由碳原子组成的足球状结构)一样的碳分子,添加白金等金属作为催化剂加热。不过,这两家公司的制造方法虽然产量高,但是质量不稳定。

碳纳米管的加工处理

今年8月,日本九州大学成功地在有机溶液中把坚硬的碳纳米管加工成环状形。经过不断地调整有机溶液浓度,把长1.6微米的纳米碳管两端连接起来,制成环状。

碳纳米管的应用技术

碳纳米管显示器技术

碳纳米电子源 日本三重大学等用碳纳米管作电子源制作场致效应显示器(FED)获得成功,目前这所大学已开发出薄型彩色显示屏的样品。日本姬路工业大学和企业合作已试制出纳米级的碳线圈、碳钻头、碳管道、碳杆等,可应用在微型机械、医疗和生物技术等方面。另外,使用碳纳米管制造充电式电池也是日本今后的研究开发课题之一。

碳纳米管像素 日本通产省物质工业技术研究所、三重大学、伊势电子公司联合试制出采用碳纳米管的壁挂电视,在日本筑波科学城问世。这种碳纳米管的壁挂电视只有4英寸大,采用了碳纳米管作为像素。当有电压存在时,碳纳米管能释放出大量电子,使荧光体发光,因而使制造壁挂式电视成为可能。

碳纳米电子枪 大阪府立大学独自开发成功新的碳纳米材料电子枪。其方法是,在铟和锡氧化物基板上涂敷一层铁膜后置入电炉中,向电炉中输入乙炔和氦,再用700摄氏度的温度加热,结果就在铁膜上形成了碳纳米线圈。用它作电子枪施加电压后,它发出的电子照射在荧光体上就显示出了图像。在电压为650伏时,它放出的电流密度可达每平方厘米10毫安,与碳纳米管相同。碳纳米线圈的制作温度比碳纳米管低,因此可望成为一种制造价格低、耗电少的显示器的技术。

碳纳米计算机技术

碳纳米晶体管 今年4月,美国国际商用机器公司(IBM)的研究人员成功制造出世界上第一个碳纳米管晶体管阵列。所使用的碳纳米管是由碳原子排列而成的微小圆柱体,比现在的硅晶体管要小500倍,而且无需对它们逐个进行处理。

作为该项目的主要研究人员之一,IBM纳米科学研究部经理费尔多 · 阿维尤斯(Phaedon Avouris)说:“我们致力于制造分子级的电子设备,碳纳米管在性能上可以和硅一争高低,碳纳米管可以让晶体管被制造得更小。对未来的纳米电子技术而言,碳纳米管是很有前途的选择。”

碳纳米管的电子属性分为金属性和半导体性两种。在将碳纳米管用作晶体管的过程中,难题是人工制造的碳纳米管是金属性和半导体性的混合体,使碳纳米管的用途大打折扣,因为只有半导体性的纳米管才可以用作晶体管。而当两种属性的碳纳米管“粘连”在一起时,它的金属性又比半导体性还要强。

IBM的技术人员使用了一种称之为“建设性破坏”的新技术成功解决了这一难题,它使科学家能够只生产出制造计算机芯片所需的半导体性碳纳米管。

首先,将“粘连”成绳索状的金属性和半导体性纳米管放在一个硅氧化物晶片上,然后将一个平版蒙片放在晶片上从而在纳米管上形成电极(金属垫)。这些电极可以作为开关来控制半导体性纳米管。之后,使用硅晶片作为一个电极将半导体性纳米管关闭,以完全阻止电流在其中通过。这时,金属性纳米管就处于无保护状态。在晶片上接通合适的电压,就可以破坏掉金属性纳米管,而半导体性纳米管因处于绝缘状态所以不会受到影响。这样,就得到排列紧凑、完好无损的半导体性纳米管晶体管,可用于制造计算机芯片上逻辑电路。

按照摩尔定律,计算机芯片的晶体管数量每隔18个月就要翻一番。许多科学家预期,在10到20年内,硅晶体管将达到其物理极限。因此,IBM科学家们的这项技术突破对未来的芯片性能有着深远的影响。

未来10~15年,由于受到硅元素本身物理特性的限制,硅材料制作的计算机芯片的体积将不可能再缩小,而这势必影响芯片的集成度,进而阻碍电脑运行速度的提高。但新材料碳纳米管则不同,由于其仅相当于硅材料的1/500,且强度又是钢铁的10倍,故用碳纳米管制的电脑芯片将比传统的硅芯片体积更小,运算速度更快,能耗更低。

碳纳米管电压反相器电路 IBM科学家利用纳米管制造出电压反相器电路,又被称作“NOT”门电路。他们将单个碳纳米管的全部反相器逻辑功能加密,形成了世界上第一个分子内的——或单分子的——逻辑电路。在0与1的二进制世界中,计算机芯片的NOT gate将1转变为0,并反向操作。作为计算机的心脏部分,处理器从根本上说是庞大的、复杂的NOT门电路的结合,另两个主要的逻辑电路分别称为AND gates和OR gates,它们将处理补充二进制的作用。

典型的电压反相器包括两类晶体管,而这两类晶体管有着不同的电子特性:“n型”(电子携带电流)和“p型”(电子缺乏区域,即电子穴携带电流)。所有以前的碳纳米晶体管都是p型的。这些晶体管对于科学研究是很有用的,但对于建立计算机逻辑电路却远远不够。

IBM公司的科学家曾试图通过在碳纳米管中添加另外一种元素的原子而改变纳米晶体管的特性,如添加钾原子。然而,最近阿维尤斯研究小组发现了一种新的、更简单的方法,将p型碳纳米晶体管转换成n型晶体管。他们发现,仅仅简单地在真空环境下把p型晶体管加热,就可以将其变为n型晶体管;反之,把晶体管暴露于空气下就可以恢复原来特性。

研究小组还发现,除了将整个纳米管从p型转为n型,他们还可以有选择地把单一的纳米管部分地转化为n型,而使其余部分仍然维持为p型。他们使用这一程序制造了世界上第一个单分子逻辑电路。

更为重要的是,从IBM新的纳米管电路中的输出信号要强于输入信号。这一现象叫做“增益”(gain),对于将“门”及其他电路元素装配成为有用的微处理器是十分必要的。拥有少于一个“增益”的电路最终是无用的——电流型号过于微弱以致无法侦测。由于IBM的纳米管电路有1.6个“增益”,有望通过单一的纳米管制造出更为复杂的电路。