单壁碳纳米管的结构控制生长方法.docx

单壁碳纳米管的结构控制生长方法
单壁碳纳米管（Single-walledcarbonnanotubes，SWCNTs）是一种类似于管状的纳米结构体，具有优良的机电性能和导电性能等特性。由于它在电子器件、生物传感器、能量转换器件和新型催化剂等领域具有广泛的应用前景，因此对于控制SWCNTs的结构生长方法研究具有极其重要的现实意义。本文将介绍SWCNTs的结构特点及其生长方法。
一、SWCNTs的结构特点
SWCNTs是由一层碳原子构成的六角晶格，由于它具有轴向对称性，而呈现出唯一的电子结构和光电性质。如果将SWCNTs的外径比较小的话，外层的自由电子会沿着管壁的周长类似于量子线路的运动，这种现象被称为电子束缚。此外，SWCNTs的直径和手性对其机械、电学和光学性质有重要影响。因此，实现对SWCNTs的结构控制非常有必要。
二、SWCNTs的生长方法
SWCNTs的生长主要分为三种方法：化学气相沉积（ChemicalVaporDeposition，CVD）、气相淀积法（Gasphasedeposition，GPD）和电感耦合等离子体化学气相沉积（InductivelyCoupledPlasmaChemicalVaporDeposition，ICP-CVD）。
1.CVD生长法
CVD是一种常见的SWCNTs生长方法，这种方法可以实现SWCNTs在亚微米到数百纳米范围内的精确控制，其优点是可以生长大量的SWCNTs。其基本原理为在具有升温程序的热处置反应中，碳源发生分解反应并产生碳原子。这些碳原子在铁、镍、钴类金属的催化下，形成SWCNTs。这种方法可以通过优化实验条件来控制SWCNTs的长度、直径和手性。
2.GPD生长法
GPD是一种简单、易于操作的生长方法，其原理是通过控制一定温度下的氧化铁的还原反应来制备SWCNTs。在这个过程中，金属催化剂是必不可少的。GPD法可以生长出较完整的SWCNTs，但是由于该方法的机理还不清楚，因此获得纯净的SWCNTs比较困难。
3.ICP-CVD生长法
ICP-CVD生长法能够在低温下生长出SWCNTs，是一种具有广泛应用前景的技术。ICP-CVD生长法是通过电感耦合等离子体激活反应气体来进行的，在这个过程中，热分解出水和乙烯等指定的碳源，同时在金属富集区形成SWCNTs。
三、SWCNTs的结构控制方法
为了控制SWCNTs的外径和手性等结构参数，实际上有多种方法可以采用。
1.化学去剂法
化学去剂法可以降低金属催化剂的活性，从而导致SWCNTs的产生。这种方法通常是通过往生长催化剂的热解前沉积金属和硅酸乙酯（TEOS）溶液来实现的。改进后的化学去剂法还可以通过氧化剂去除无定形碳或其他碳纳米材料（如多壁碳纳米管和石墨烯的共生产物等），从而提高SWCNTs的产率和纯度。
2.控制炭气条件
这种方法的主要思想是通过控制炭气的成分来控制SWCNTs的直径和手性。一些研究人员已经证实，通过增加炭化合物的含量（如甲烷和乙烯）可以增加SWCNTs的直径，而通过加入二氧化碳可以提高SWCNTs的纯度。
3.调节碳管的生长速度
可以通过控制SWCNTs的生长速度，来改变其直径和手性。例如，通过调整化学反应器中的热量来改变管厚，从而控制SWCNTs的直径。此外，减少冷却阶段的速度也可以提高SWCNTs样品的纯度。
四、SWCNTs的应用前景
控制SWCNTs的结构生长方法是适应新型纳米器件的发展趋势的重要工具。通过改变SWCNTs的直径和手性，研究人员可以制作出高性能的场效应晶体管、可撤销的非易失性存储器和非常规的化学传感器等。此外，利用有机功能化修饰可以将SWCNTs的应用领域进一步拓展到光电、生物医学等领域。
结论：SWCNTs是一种非常有价值的纳米材料，在未来的应用中有着广泛的发展前景。通过改变SWCNTs的直径和手性，可以控制其性质和应用场景。本文介绍了SWCNTs的生长方法及其结构控制方法，总结了SWCNTs在电子器件、生物传感器、能量转换器件和新型催化剂等领域中的应用前景。无论是在学术研究领域还是在实际应用中，SWCNTs都有着无限的发展和应用前途。