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利用DEP和流体驱动的碳纳米管组装研究_谭苗苗

利用DEP和流体驱动的碳纳米管组装研究_谭苗苗
利用DEP和流体驱动的碳纳米管组装研究_谭苗苗

第19卷 第5期2006年10月

传感技术学报

CHINESE JO URNAL OF S ENSO RS AND ACTU ATORS

Vol.19 No.5Oct.2006

Assembling Carbon Nanotu bes Based on DEP and Fluid Driving

T AN M iao -miao *

,YE X iong-y ing ,WAN G X iao -hao,ZH O U Zhao -y ing

S tate K ey L aborator y of Pr ecision M e asu remen t Te chnolog y an d Instru ments ,Dep t.of P rec ision I nstr uments and M e chanology ,M icr o -N ano T echnolog y Resear ch Center.T sing hua Univ e rsity ,Beij ing 100084,China

Abstract:Assembling carbon nanotubes on micro -structures is the key to fabricate nano devices.Assembly of car -bon nanotubes (CNTs)based on dielectrophoresis(DEP)and fluid driving are studied.Two types of mult-i w all

carbon nanotubes are used in the experiments.During DEP deposition,increasing voltage or deposition time,more CNTs are assembled.An appropriate flow velocity makes better assembly results in fluid driving assembly.Ac -cording as the experimental results,the advantages and shortcomings of DEP and fluid driving assembly are con -cluded and compared.It indicates that DEP deposition can realize positional assembly between electrodes,w hile fluid driving assembly can uniformly array CNTs on a lager scale.Key words:Carbo n nanotube;DEP;assem bly;fluid driving EEACC :2575F

利用DEP 和流体驱动的碳纳米管组装研究

谭苗苗*,叶雄英,王晓浩,周兆英

(清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室;清华大学精密仪器与机械学系微米纳米技术研究中心,北京100084)

收稿日期:2006-07-01

基金项目:国家自然科学基金资助(50375083);高等学校博士学科点专项科研基金资助(20040003065)作者简介:谭苗苗(1980-),在读博士生(通讯联系人),主要方向研究为M EMS/NEMS 及纳米材料,tmm04@https://www.wendangku.net/doc/0a3005946.html,

摘 要:碳纳米管在微结构上的组装是实现纳器件的关键.本论文分别采用电泳和流体驱动方法对两种不同的多壁碳纳米

管进行了排布组装研究.电泳过程中频率一定时,增加电压或电泳时间,碳管沉积的密度增加;流体排布组装过程中,适当的流体速度得到较好的排布效果;较直的碳管取得更好的排布组装效果.同时根据实验结果对电泳和流体驱动两种组装方法的优势和问题进行了比较,结果表明,介电电泳组装能实现在电极间的定位组装,流体排布组装可实现较大面积的均匀排布.

关键词:碳纳米管;介电电泳;组装;流体排布中图分类号:TN4

文献标识码:A 文章编号:1004-1699(2006)05-2030-04

利用一维纳米材料呈现的特殊物理化学性能,

将其与微结构结合的纳器件有可能突破常规器件的性能极限,并将实现超微型化和高功能密度化.目前基于纳米管/纳米线的纳米器件研究主要包括电子器件和传感器等.批量可控组装一维纳米材料如纳米管、纳米线、纳米带等是实现纳器件的基础.目前基于一维纳米材料的器件制造方法主要分为两类,一类是在基板上图形化催化剂实现一维纳米材料的原位定向生长,另一类是将生长好的一维纳米材料,通过纯化、分散等处理后,利用机、电、液等外力驱动作用在基底上实现排布组装.

碳纳米管由于其优异的力学和电学性能被广泛用

于纳器件的研究中,其在基底上的定向定位沉积研究要受到了极大的关注.图形化催化剂直接生长法[1-2]不需后处理,但实现单根碳管沿着基底的定向生长难度大,且无法控制碳管的属性(半导体或金属),直接生长的碳管含有缺陷和杂质,影响器件的性能,同时生长过程中的高温要求与微电工艺很难兼容.后处理组装方法的灵活性使其更适用于纳器件的制造,包括电场辅

助沉积[3]、流体排布[4-6]

、化学选择性沉积[7]、电磁辅助组装[8]、原子力显微镜直接操纵[9]等.

目前碳纳米管的定向定位排布组装尚处于摸索

阶段,虽然已提出了一些利用流体、电/磁场等进行排布组装的方法,但还难以实现在特定位置单根或少数几根纳米管的定位定向排布组装.本文对碳纳米管的介电电泳组装进行研究,分析电压、频率、电泳时间,电极形状等对组装效果的影响;同时研究利用流体剪切力在基底上大规模组装碳管的方法;并与介电电泳组装碳管的方法进行比较.

1 碳纳米管悬浮液的准备

我们利用纳米聚团床催化裂解法制备(清华大学化工系提供)和化学气相沉积(CVD)制备(清华-富士康纳米科技研究中心提供)的两种碳纳米管进行了实验.催化裂解法制备的碳管平均直径约为10~20nm,平均长度约为5L m,预处理后长度小于5L m,较弯曲,如图1(a)所示;CVD 制备的碳管平均直径约为10~30nm,长度约6~15L m ,预处理后长度小于10L m ,较直,如图1(b)所示

.

图1 预处理后的碳管SEM 照片

实验中,碳管经酸化处理后配置成悬浮液.其酸化处理过程包括:将碳管原材料加入体积比为3:1的浓硫酸/浓硝酸混合液中30m in,温度保持140o C.碳管在酸化的过程中接上羧基基团的同时,原始材料中的碳颗粒,催化剂等杂质也被氧化除去.将处理后的碳管与去离子水按一定比例混合超声分散30min 以上,得到浓度为2.5L g /mL,分散性好且稳定的悬浮液.

2 介电电泳组装

介电电泳(DEP)是利用被极化的颗粒在非均匀外加电场中受力,向电场强度极大方向运动,从而实现一定分布的沉积.2.1 实 验

首先由硅微加工工艺加工出有金属电极的基片:在生长有二氧化硅的硅片上溅射厚度为40/800A 的Cr/Au 金属层,图形化得到不同宽度、间隙、不同形状的对电极.

然后将有金属对电极的基片浸入到碳管的悬浮液中,在对电极间施加一定频率和电压的交流信号,改变电压、频率和作用时间中的任意一个参数,观察

电场力作用下碳管在基片上的分布.2.2 实验结果

2.2.1 催化裂解法制备碳管的电泳实验结果

图2为不同形状的电极上电泳沉积的碳管SEM 照片.对针状对电极施加电压峰峰值为15Vpp,15MH z 的交流信号4min,碳管在两个针尖电极之间相互连接(图2(a)).这是因为针尖效应造成该处场强最大,电泳过程中一些碳管迅速沉积到电极上,其余碳管会以沉积的碳管为电极,与先前的碳管互连沉积,从而在对电极间形成桥连接.图2(b)中的电极宽度为80L m,电极间隙为4L m,在电极间施加20Vpp,10MH z 的交流4min,在电极间形成了较均匀的碳管桥接,并且与电场方向基本平行.由此可见,在不同形状的电极上将电泳沉积出不同的碳管分布.另外,由于碳管长度较小且弯曲,而电极间隙较大,没有实现单根碳管沿电场方向跨电极的搭接

.

图2 不同形状的电极电泳沉积的碳管SEM 照片

图3为不同电泳电压条件下同样的针状对电极间沉积的碳管SEM 照片,所施电压分别为15Vpp(图3(a))和20V pp(图3(b)).图3(a)中电极间沉积的碳管密度远小于图3(b).频率和电泳时间一定,随着电压的增加,会有更多的碳管在电场作用下在电极上沉积;另外增加电泳时间也使电极间沉积碳管的密度增加.因碳管弯曲,没有指向性,淀积的碳管在电极间邻近区域形成了一片

.

图3 不同是泳电压下沉积的碳管SEM 照片

2.2.2 CVD 制备碳管的电泳实验结果

图4为采用CVD 制备的碳管在间隙4L m 的

电极间沉积的碳管SEM 照片,电泳参数为20Vpp,10M H z,4min.与图2,3中的碳管相比,由于碳管较长且较直,能形成一根碳管从一端电极搭接到另一端电极.

图5比较了不同电泳时间的碳管沉积效果,电

2031

第5期谭苗苗,叶雄英等:利用DEP 和流体驱动的碳纳米管组装研究

图4电极间电泳沉积的CV D 碳管的SEM 照片,

电泳参数:20V pp,10M H z AC,4m in

极宽度均为10L m ,间隙为3L m.电泳时间4m in (图5(a))沉积的碳管较电泳时间6min(图5(b))的密度小.在其它参数相同的情况下,电泳时间越长,对电极间的碳管桥越密集.碳管无相互缠绕,较均匀地搭接在电极间,且与电场方向一致

.

图5 不同电泳时间沉积的碳管的SEM 照片

3 流体排布组装

由于介电电泳的力量难以将弯曲的碳管拉直,这里,我们利用流体流动产生的剪切力来排布碳管.流体排布依靠化学键作用固定碳管一端,同时在流体剪切力的作用下把碳管沿流体方向拉直.3.1 实 验

选用长有二氧化硅的硅片作为碳管排布的基片,并在二氧化硅表面通过化学修饰接上氨基单分子层.其具体过程为:将清洗过的硅片浸入2mM KH -550的正己烷溶液中4h,取出后用氯仿充分清洗,在120e 下烘10min.氨基用于与经处理后的碳管上的羧基结合,从而把碳管固定到基片上.

图6所示为流体排布组装装置的原理图.利用旋转圆柱带动液体运动,产生沿容器壁切线方向的流动,因粘性力的作用,流动边界层内的速度梯度将产生流体剪切力.当溶液中的碳管的一端接触到固定在静止圆桶容器内壁的基片时,基片上的氨基与碳管上的羧基结合,把碳管该端固定到基片上,流体剪切力把碳管沿流动方向拉直.

当旋转圆柱直径一定时,静止容器的直径越小,流过静止容器壁面的流体速度越高,其速度梯度越大,剪切力也越大.我们取旋转圆柱直径为50mm,静止容器的内径分别为75mm 、86mm 、105mm,旋转圆柱转速1500r/min,通过计算得到基片处流速分别约为0.22m/s 、0.12m/s 、0.06m/s.用

浓度

图6 流体排布组装原理图

3L g/mL 的CVD 碳管水溶液,旋转20min 后,从壁面取下基片在扫描电镜下观察.3.2 实验结果

图7为流体排布碳管的SEM 照片,(a),(b),(c)分别对应于小、中、大三种容器,即流速为大、中、小三种条件下的排布结果,图片中流体方向由上至下.在三种条件下,碳管都分布在整个基片表面,大部分碳管方向趋向与流体方向一致.对比图7(b)和图7(c),流速较大时,排布碳管的一致性较好;但由图7(a)和图7(b)对比发现,容器直径为75mm 时分布碳管的效果较差.推测当流速过大,整根碳管被迅速推向基片表面,流体剪切力的作用时间缩短,因此排布效果反而较差

.

图8 流体排布碳管的SEM 照片,图中标尺为5L m,流体方向由上至下.

4 比较分析

电泳组装方法的可控自由度有电压、频率、时间、碳管溶液浓度、加电模式;流体组装的自由度除

了包括碳管溶液浓度和试验时间外,还包括旋转转速、内外圆柱尺寸.这两种方法装置较简单,易操作.

电泳方法能迅速将碳管定位在电极上,碳管沿着电场方向分布,并桥接在电极之间;同时由于碳管介电常数和尺寸的不同,介电电泳能选择性的沉积金属性碳管,且易沉积长度大的碳管,除去颗粒杂质.但是电泳过程中,所用碳管较短时,当有碳管沉

2032传 感 技 术 学 报2006年

积在金属对电极中的一个电极后,由于此时碳管处的场强集中,后沉积的碳管趋向于沉积在这碳管尖端或侧壁上,形成碳管之间的桥接或堆积.

流体组装方法可在整个基底上沿着流体方向较均匀地排布碳管,若碳管溶液分散良好,调整溶液浓度、旋转转速和试验时间,可利用流体的剪切力/梳理0弯曲的碳管,形成较直的碳管的平行阵列.但流体排布方法难以实现碳管在指定位置的准确组装,且实验前的预处理直接影响组装的效果.若基片预处理过程中,生长的氨基单分子层不均匀,或者碳管在溶液中分散得不够好,碳管将会形成在基片上的堆积.

碳管原料本身较直时,其排布组装的效果更好. 5结论

本文研究了利用介电电泳和流体驱动排布组装碳纳米管的方法,分析了电泳参数和流体驱动参数对碳纳米管排布组装效果的影响.对介电电泳组装和流体排布组装两种方法的优势和问题进行了比较分析,结果表明:介电电泳组装能实现在电极间的定位组装,流体排布组装可实现较大面积的均匀排布.这两种方法都还需要进一步完善.

6致谢

感谢清华-富士康纳米科技研究中心姜开利老师和清华大学化工系魏飞老师提供碳纳米管原料.参考文献:

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(上接第2029页)

(1)微通道冷却器可以有效地对表面热流密度高达5.34@105W/m2的发热电子芯片进行冷却;

(2)微通道冷却器的换热性能随Re数的增大而提高,所提高的幅度随加热功率的增大而增大;

(3)微通道的几何结构对换热性能有显著影响,平均N u数随微通道的宽深比增大而增大.

参考文献:

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特性实验研究[C]//中国教育学会工程热物理专业委员会第十二届全国学术会议论文集,2006年5月,重庆,B-05040

2033

第5期谭苗苗,叶雄英等:利用DEP和流体驱动的碳纳米管组装研究

关于碳纳米管的研究进展综述

关于碳纳米管的研究进展 1、前言 1985年9月,Curl、Smally和Kroto发现了一个由个60个碳原子组成的完美对称的足球状分子,称作为富勒烯。这个新分子是碳家族除石墨和金刚石外的新成员,它的发现刷新了人们对这一最熟悉元素的认识,并宣告一种新的化学和全新 的“大碳结构”概念诞生了。之后,人们相继发现并分离出C 70、C 76 、C 78 、C 84 等。 1991年日本的Iijima教授用真空电弧蒸发石墨电极时,首次在高分辨透射电子显微镜下发现了具有纳米尺寸的碳的多层管状物—碳纳米管。年,日本公司的科学家和匆通过改进电弧放电方法,成功的制备了克量级的碳纳米管。1993年,通过在电弧放电中加入过渡金属催化剂,NEC和IBM研究小组同时成功地合成了单壁碳纳米管;同年,Yacaman等以乙炔为碳源,用铁作催化剂首次针对性的由化学气相沉积法成功地合成了多壁碳纳米管。1996年,我国科学家实现了碳纳米管的大面积定向生长。1998年,科研人员利用碳纳米管作电子管阴极同年,科学家使用碳纳米管制作室温工作的场效应晶体管;中国科学院金属研究所成会明研究小组采用催化热解碳氢化合物的方法得到了较高产率的单壁碳纳米管和由多根单壁碳纳米管形成的阵列以及由该阵列形成的数厘米长的条带。1999年,韩国的一个研究小组制成了碳纳米管阴极彩色显示器样管。2000年,日本科学家制成了高亮度的碳纳米管场发射显示器样管。2001年,Schlitter等用热解有纳米图形的前驱体,通过自组装合成了单壁碳纳米管单晶,表明已经可以在微米级制得整体材料的单壁碳纳米管,并为宏量制备指出了方向。 2、碳纳米管的制备方法 获得大批量、管径均匀和高纯度的碳纳米管,是研究其性能及应用的基础。而大批量、低成本的合成工艺是碳纳米管实现工业化应用的保证。因此对碳纳米管制备工艺的研究具有重要的意义。目前,常用的制备碳纳米管的方法包括石墨电弧法、化学气相沉积法和激光蒸发法。一般来说,石墨电弧法和激光蒸发法制备的碳纳米管纯度和晶化程度都较高,但产量较低。化学气相沉积法是实现工业化大批量生产碳纳米管的有效方法,但由于生长温度较低,碳纳米管中通常含有

方腔顶盖驱动流流场数值预测

方腔顶盖驱动流流场数值预测 摘要:本文分别采用一阶迎风格式(FUD)、中心差分格式(CD)和乘方格式(PLD)计算方腔顶盖驱动流,计算结果同Ghia et al结果进行比较。由计算结果可得出,一阶迎风引起的假扩散最大,计算结果偏离基准解最远,中心差分格式和乘方格式同基准解已经非常接近。但中心差分格式不稳定,不易收敛。网格数变化也会对结果产生影响,网格划分越多,计算结果与基准解越接近,而计算的时效性越差,所以在划分网格时,我们需要综合考虑其准确性和时效性,选用合理网格数。关键字:一阶迎风格式,中心差分格式,乘方格式,网格数 The prediction of flow field in the flow in driven cavity Abstract:In this paper, the three discrete formats of the equation convection (PLD, FUD and CD) was used to calculation the flow field in the flow in driven cavity. Through the compared with Ghia et al, we found that the false diffusion is the largest caused by the FUD, and the deviation of the calculation results from the exact solution, CD is the least , PLD come next and FUD is the largest. But CD is instability, it’s difficult converg ence. The changes of grid number will have an impact on the results. By the analysis, the more grid, the closer of the calculated results with the exact solution, and the worse of the calculated timeliness, so meshing, we need consideration of it’s accurac y and timeliness, to get a reasonable number of grid. Key words: FUD ,CD,PLD, the number of grid 引言 对流-扩散方程离散格式的稳定性与准确性一直是数值传热学中的一个重要问题,而对流-扩散方程的离散关键在于对流项的离散。对流项常见的离散格式有乘方格式(PLD),一阶迎风格式(FUD),中心差分格式(CD),这三种格式在计算精度和计算时效上各有优缺点。 方腔顶盖驱动流是考核程序的经典算例之一,本文就以上三种格式在雷诺数分别为100、400、1000、3200的情况下对方腔顶盖驱动流流场进行数值预测,并将其计算结果与Ghia et al结果进行对比分析。 1. 控制方程

方腔顶盖驱动流动

一、问题描述 方腔顶盖驱动流动 如图1所示的一个简化两维方腔(高,宽都等于L),内部充满水分。上表面为移动墙,非维化速度为u/u0 =1。其他三面为固定墙。试求方腔内水分流动状态。 u=1, v=0 u=0, v=0 u=0,v=0 u=0, v=0 图1 常微分方程理论 只能求解极少一类常微分方程;实际中给定的问题不一定是解析表达式,而是函数表,无法用解析解法.

二、离散格式 数值解法:求解所有的常微分方程 计算解函数 y(x) 在一系列节点 a = x 0< x 1<…< x n = b 处的近似值 ) ,...,1() (n i x y y i i =≈ 节点间距 为步长,通常采 用等距节点,即取 hi = h (常数)。 步进式:根据已知的或已求出的节点上的函数值计算当前节点上的函数值,一步一步向前推进。因此只需建立由已知的或已求出的节点上的函数值求当前节点函数值的递推公式即可。

欧拉方法

1(,) 0,1,... n n n n y y h f x y n +=+= 几何意义 在假设 y n = y (x n ),即第 n 步计算是精确的前提下,考虑公式或方法本身带来的误差: R n = y (x n +1) y n +1 , 称为局部截 截断误差: 实际上,y (x n ) y n , y n 也有误差,它对y n +1的误差也有影响,见下 图。但这里不考虑此误差的影响,仅考虑方法或公式本身带来的误差,因此称为

断误差. 显式欧拉公式 一阶向前差商近似一阶导数 22 3 1112 3 2 ()[()()()()] [ (,)] ()() h n n n n n n n n n h n R y x y y x hy x y x O h y hf x y y x O h +++'''=-=+++-+''= +

碳纳米管材料的研究现状及发展展望

碳纳米管材料的研究现状及发展展望 摘要: 碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能,具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。本文综述了碳纳米管的制备方法、结构性能、应用以及碳纳米管发展趋势。 关键词:碳纳米管;制备;性质;应用与发展 1、碳纳米管的发展历史 1985年发现了巴基球(C60);柯尔、克罗托和斯莫利在模拟宇宙长链碳分子的生长研 究中,发现了与金刚石、石墨的无限结构不同的,具有封闭球状结构的分子C60。(1996年获得诺贝尔化学奖) 1991年日本电气公司的S. Iijima在制备C60、对电弧放电后的石墨棒进行观察时,发现圆柱状沉积。空的管状物直径0.7-30 nm,被称为Carbon nanotubes (CNTs); 1992年瑞士洛桑联邦综合工科大学的D.Ugarte等发现了巴基葱(Carbon nanoonion); 2000年,北大彭练矛研究组用电子束轰击单壁碳纳米管,发现了Ф0.33 nm的碳纳米管,稳定性稍差; 2003年5月,日本信州大学和三井物产下属的公司研制成功Ф 0.4 nm的碳纳米管。 2004年3月下旬, 中国科学院高能物理研究所赵宇亮、陈振玲、柴之芳等研究人员,利用一定能量的中子与C70分子相互作用,首次成功合成、分离、表征了单原子数目富勒烯 分子C141。 2004 ,曼彻斯特大学的科学家发现Graphene(石墨烯)。进一步激发了人们研究碳纳米材料的热潮。 2、碳纳米管的分类 2.1碳纳米管 碳纳米管是由碳原子形成的石墨烯片层卷成的无缝、中空的管体,一般可分为单壁碳纳 米管、多壁碳纳米管。 2.2纳米碳纤维 纳米碳纤维是由碳组成的长链。其直径约50-200nm,亦即纳米碳纤维的直径介于纳米碳 管(小于100 nm)和气相生长碳纤维之间。 2.3碳球 根据尺寸大小将碳球分为:(1)富勒烯族系Cn和洋葱碳(具有封闭的石墨层结构,直径在2—20nm之间),如C60,C70等;(2) 纳米碳粉。 2.4石墨烯 石墨烯(graphene)是由单层碳原子紧密堆积成二维蜂窝状晶格结构的一种碳质新材料,是构建其它维度碳质材料的基本单元。 3、碳纳米管的制备 3.1电弧法

方腔流动

计算流体力学作业 题目 方腔流指顶部平板以恒定速度驱动规则区域内封闭的不可压流体(例如水)的流动,在方腔流的流动中可以观察到几乎所有可能发生在不可压流体中的流动现象,如图1所示方腔流计算模型图。 图1 方腔流动示意图 流函数-涡量法以流函数和涡量为未知量,可以消去控制方程中的压力项。根据差分法编写程序计算方腔流动。 控制方程

边界条件 流函数边界条件:根据已知条件,在四个壁上流函数均为0,上边界平板速度1,根据不可滑移条件确定流函数偏导数条件。 涡量边界条件,采用(1): (1)可以用Taylor 展开建立一般形式的Thom 公式。假设某壁面切向速度v τ,沿其内法向n 有一节点,距离壁面距离为h, 此点上的流函数为1ψ,如果壁面上的流函数值为0ψ,那么 1002 () 2v h h τψψω-+=- 时间导数采用向前Euler 法,空间导数项可以用中心差分格式离散 计算步骤 1、计算n + 1 时刻内点的涡量,需要考虑时间步长和空间步长和粘性项的关系。 2、计算n + 1 时刻的流函数1n ψ+ ,超松弛迭代法,松弛因子为-1.8。 3、计算n + 1 时刻边界上的涡量 初始条件如下: M=50+1; % y 方向网格点 N=50+1; % x 方向网格点 Nu=1e-2 ; % 粘性系数 V=1; % 上边界速度 sc=-1.8 ; %松弛因子 tol=1e-4; %迭代精度 dt=0.005; % 计算时间步长 t0=0; % 计算开始时间 t1=4; % 计算截止时间 tN=floor((t1-t0)/dt); % 计算时间步 x0=0; x1=1; dx=(x1-x0)/(N-1); %空间步长 y0=0; y1=1; dy=(y1-y0)/(M-1); %空间步长

碳纳米管的研究进展

碳纳米管的研究进展* 王全杰1,2** 王延青1*** (1. 陕西科技大学资源与环境学院,陕西 西安 710021;2. 烟台大学化学生物理工学院, 山东 烟台 264005) 摘要:碳纳米管是由石墨层片卷成的管状结构的一种新型纳米材料,拥有独特的物理化学、电学、热学和机械性能以及十分诱人的应用前景。文章对碳纳米管的制备方法、性质、纯化及应用前景进行了简要的综述。 关键词:碳纳米管;合成;性能;纯化;应用 中图分类号G 311 文献标识码 A Progress of Research for Carbon Nanotubes Wang Quanjie 1,2,Wang Yanqing 1 (1.College of Resource and Environment,Shaanxi University of Science and Technology,Xi’an 710021,China;2. Chemistry and Biology College,Yantai University,Yantai 264005,China)Abstract: Carbon nanotubes are a new class of nano-material with tubular structure formed via rolling-up of coaxial sheets of graphite. They have unique physicochemical, electrical, thermal and mechanical properties, opening up various intriguing possibilities for applications. The preparation methods, properties, methods of purification and application of carbon nanotubes are briefly reviewed. Key words: carbon nanotubes;synthesis;property;purification;application 自1991年日本科学家Lijima发现碳纳米管(Carbon Nanotubes,简称CNTs),1992年Ebbesn等人提出了实验室规模合成碳纳米管的方法后,其独特的结构和物理化学性质受到人们越来越多的关注[1]。碳纳米管因具有尺寸小、机械强度高、比表面大、电导率高、界面效应强等特点,从而使其具有特殊的机械、物化性能,在工程材料、催化、吸附、分离、储能器件电极材料等诸多领域中具有重要的应用前景。 *基金来源:山东省科技攻关项目(2008GG10003020) **第一作者简介:王全杰,男,1950年生,教授 ***通讯联系人

国产5nm碳纳米管研究新突破

国产5nm 碳纳米管研究新突破 北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳 纳米管电子学领域进行了十多年的研究,发展了一整高性能碳纳米管CMOS 晶体管的无掺杂制备方法,通过控制电极功函数来控制晶体管的极性。集成电路发展的基本方式在于晶体管的尺寸缩减,从而性能和集成度,得到更快功能更复杂的芯片。目前主流CMOS 技术即将发展到10 纳米技术节点,后续发展将受到来自物理规律和制造成本的限制,很难继续提升,“摩尔定律”可能面临终结。20 多年来,科学界和产业界一直在探索各种新材料和新原理的晶体管技术,以望替代硅基CMOS 技术。但是到目前为止,并没有机构能够实现10 纳米的新型CMOS 器件,而且也没有新型器件能够在性能上真正超过最好的硅基CMOS 器件。碳纳米管被认为是构建亚10 纳米晶体管的理想材料,其原子量级的管径保证了器件具有优异的栅极静电控制能力,更容易克服短沟道效应;超高的载流子迁移率则保证器件具有更高的性能和更低的功耗。理论研究表明碳管器件相对于硅基器件来说具有5-10 倍的速度和功耗优势,有望满足后摩尔时代集成电路的发展需求。但是已实现的最小碳纳米管CMOS 器件仅停滞在20nm 栅长(2014 年IBM ),而且性能远远低于预期。 北京大学信息科学技术学院彭练矛-张志勇课题组在碳纳米

管电子学领域进行了十多年的研究,发展了一整高性能碳纳 米管 CMOS 晶体管的无掺杂制备方法,通过控制电极功函 数来控制晶体管的极性。 彭练矛教授(左)和张志勇教授 (右) 5nm 技术节点实现突破近年来, 该课题组通过优化器件结构 和制备工艺,首次实现了栅长为 10 纳米的碳纳米管顶栅 CMOS 场效应晶体管(对应于 5纳米技术节点),P 型和n 型器件的亚阈值摆幅( subthreshold swing, SS )均为 70 mV/DEC 。器件性能不仅远远超过已发表的所有碳纳米管器 件,并且更低的工作电压(0.4V )下,P 型和n 型晶体管性 能均超过了目前最好的( Intel 公司的 14 纳米节点)硅基 CMOS 器件在 0.7V 电压下工作的性能。 特别碳管 CMOS 晶 体管本征门延时达到了 0.062Ps ,相当于 14 纳米硅基 CMOS 器件( 0.22Ps )的 1/3 。图 1:10 纳米栅长碳纳米管 CMOS 器件。 A : n 型和 P 型器件截面图和栅堆垛层截面图; P 型和 n 型碳管器件的转移曲线以及与硅基 CMOS 器件 (Intel, 14nm, 22nm )的对比。D:碳管器件的本征门延时与 14nm 硅基 CMOS 对比。课题组进一步探索 5nm 栅长(对 应3 纳米技术节点)的碳管晶体管。采用常规结构制备的栅 长为 5 纳米的碳管晶体管容易遭受短沟道效应和源漏直接隧 穿电流影响,即使采用超薄的高 k 栅介质(等效氧化层厚度 0.8纳米),器件也不能有效地关断,SS 一般大于 课题组采用石墨烯作为碳管晶体管的源漏接触,有效地抑制B-C: 100mV/Dec 。

碳纳米管的改性研究进展

碳纳米管的改性研究进展 摘要:碳纳米管因其独特的结构与优异的性能,在许多领域具有巨大的应用潜力而引起了广泛的关注。由于碳纳米管不溶于水和有机溶剂,极大地制约了其性能的应用,因此碳纳米管的功能化改性 就成为目前研究的热点。本文简要介绍了碳纳米管及其性质作,详细阐述了碳纳米管的改性研究进展,并对今后的研究方向进行了展望。 关键词:碳纳米管;结构与性能;功能化;共价改性;非共价改性 1. 碳纳米管及其性能简介 1.1碳纳米管的结构 碳纳米管(Carbon Nanotubes,CNTs)是1991年由日本筑波NEC公司基础研究实验室的Iijima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的一种具有一维管状结构的碳纳米材料。因其独特的准一维管状分子结构、优异的力学、电学和化学性质及其在高科技领域中潜在的应用价值,引起了世界各国科学家们的广泛关注,由此引发了碳纳米管的研究热潮和十多年来纳米科学和技术的飞速发展。 碳纳米管是单层或多层石墨片围绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成的无缝、中空的 微管,每层纳米管是一个由碳原子通过SP2杂化与周围3个碳原子完全键合后所构成的 六边形平面组成的圆柱面。根据构成管壁碳原子层数的不同,CNTs可以分为:单壁碳纳 米管(single-walled carbon nanotube,SWNT)和多壁碳纳米管(multi-walled carbon nanotube, MWNT)两种形式。MWNTs的层间接近ABAB堆垛,其层数从2~50不等,层间距为0.34±0.01nm,与石墨层间距(0.34nm)相当。MWNTs的典型直径和长度分别为2~30nm 和0.1~50μm;SWNTs典型的直径和长度分别为0.75~3nm和1~50μm。与MWNTs 比,SWNTs是由单层圆柱型石墨层构成,其直径的分布范围小,缺陷少,具有更高的 均匀一致性。无论是MWNTs还是SWNTs都具有很大的长径比,一般为100~1000, 最大可达到1000~10000,可以认为是一维分子。CNTs有直形、弯曲、螺旋等不同外形。在MWNTs中不同石墨层的螺旋角各不相同,由Euler定理可知,在CNTs的弯曲处,一定要有成对出现的五元环和七元环才能使碳纳米管在弯曲处保持光滑连续,而封 闭的两端半球形或多面体的圆拱形是由五元环参与形成的。但是实际制备的CNTs或多 或少存在这样那样缺陷,主要缺陷有三种类型:拓扑学缺陷,重新杂化缺陷和非完全键

碳纳米管材料结构与性能的研究

碳纳米管材料结构与性能的研究 中文摘要 英文摘要 关键词 绪论 研究背景 碳纳米管是20世纪90年代发现的一种碳材料的一维形式,具有优良的物理化学性能。纳米材料由于其尺寸处在原子簇和宏观物体交界的过渡区域,具有量子尺寸效应、小尺寸效应、表面效应和宏观量子隧道效应等特性,展现出独特的电学、光学和机械特性,碳纳米管在物理、化学、信息技术、环境科学、材料科学、能源技术、生命及医学科学等领域均具有广阔的应用前景。正是由于碳纳米管这种潜在的价值和广泛的应用前景,使有关碳纳米管材料的研究成为最受关注的研究领域之一。纳米材料这一概念形成以后,世界各国都给予了极大关注,它所具有的独特性质,给物理、化学、材料、生物、医药等领域的研究带来了新的机遇。

碳纳米管材料的分类 碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,因此按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管(或称单层碳纳米管,Single-walled Carbon nanotubes, SWCNTs)和多壁碳纳米管(或多层碳纳米管,Multi-walled Carbon nanotubes, MWCNTs)。 碳纳米管依其结构特征可以分为三种类型:扶手椅形纳米管(armchair form),锯齿形纳米管(zigzag form)和手性纳米管(chiral form)。碳纳米管的手性指数(n,m)与其螺旋度和电学性能等有直接关系,习惯上n>=m。当n=m时,碳纳米管称为扶手椅形纳米管,手性角(螺旋角)为30o;当n>m=0时,碳纳米管称为锯齿形纳米管,手性角(螺旋角)为0o;当n>m≠0时,将其称为手性碳纳米管。根据碳纳米管的导电性质可以将其分为金属型碳纳米管和半导体型碳纳米管:当n-m=3k(k为整数)时,碳纳米管为金属型;当n-m=3k ±1,碳纳米管为半导体型。 按照是否含有管壁缺陷可以分为:完善碳纳米管和含缺陷碳纳米管。 按照外形的均匀性和整体形态,可分为:直管型,碳纳米管束,Y型,蛇型等。 碳纳米管的制备

碳纳米管研究进展

碳纳米管研究进展 摘要: 碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石墨碳原子层卷曲而成。 纳米材料被誉为21世纪的重要材料,而作为新型纳米材料的碳纳米材料因其本身所拥有的潜在优越性,在化学、物理学及材料学领域具有广阔的应用前景,成为全球科学界各级科研人员争相关注的焦点。碳纳米管因其独特的结构和优异的物理化学性能,具有广阔的应用前景和巨大的商业价值。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构,碳纳米管的研究进展随之加快,并在制备方面取得了突破性进展。 关键词: 碳纳米管、制备、应用、最新研究 正文: 1、碳纳米管的制备: 碳纳米管的制备方法主要有:电弧法、激光烧蚀(蒸发)法、催化裂解或催化化学气相沉积法(CCVD),以及在各种合成技术基础上产生的定向控制生长法等方法。 电弧法——石墨电弧法是最早的、最典型的碳纳米管合成方法。其原理为电弧室充惰性气体保护,两石墨棒电极靠近,拉起电弧,再拉开,以保持电弧稳定。放电过程中阳极温度相对阴极较高,所以阳极石墨棒不断被消耗,同时在石墨阴极上沉积出含有碳纳米管的产物。由于电弧放电剧烈,难以控制进程和产物,合成物中有碳纳米颗粒、无定形炭或石墨碎片等杂质,杂质很难分离。所以研究者在优化电弧法制取碳纳米管方面做了大量的工作。为减少相互缠绕的碳纳米管在阴极上的烧结,D.T.Collbert将将石墨阴极与水冷铜阴极座连接,大大减少了碳纳米管的缺陷。C.Journet等在阳极中填入石墨粉末和铱的混合物,实现了SWNTs的大量制备。研究发现,铁组金属、一些稀土金属和铂族元素或以单个金属或以二金属混合物均能催化SWNTs合成。 近年来,人们除通过调节电流、电压,改变气压及流速,改变电极组成,改进电极进给方式等优化电弧放电工艺外,还通过改变打弧介质,简化电弧装置。 催化裂解法——催化裂解法亦称为化学气相沉积法,其原理是通过烃类或含碳氧化物在催化剂的催化下裂解而成。目前对化学气相沉积法制备碳纳米管的研究表明,选择合适的催化剂、碳源以及反应温度十分关键。K.Hernadi等发现碳源的催化活化顺序为:乙炔>丙酮>乙烯>正茂烷>丙烯≥甲醇=甲苯≥甲烷。 Ren等在666℃条件下,在玻璃上通过等频磁控管喷镀法镀上厚度为40nm的金属镍,以乙炔气体作为碳源,氨气作为催化剂,采用等离子体热流体化学蒸气分解

碳纳米管的研究及展望

碳纳米管的研究及展望 (1) 碳纳米管的研究及展望 碳纳米管(CNTS)[1]作为一种一维纳米材料,重量较轻,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[2]。近些年随着碳纳米管及纳米材料研究的深入其广阔的应用前景也不断地展现出来。碳纳米管,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。碳纳米管主要由呈六边形排列的碳原子构成数层到数十层的同轴圆管。层与层之间保持固定的距离,约0.34纳米,直径一般为2~20纳米。并根据碳六边形沿轴向的不同取向可以将其分为锯齿形、扶手椅型和螺旋型三种。其中螺旋型的碳纳米管具有手性,而锯齿形和扶手椅型碳纳米管没有手性。 碳纳米管可以看做是石墨烯片层卷曲而成,因此如果按照石墨烯片的层数可分为:单壁碳纳米管(或称单层碳纳米管)和多壁碳纳米管(或多层碳纳米管),多壁管在形成的时候,层与层之间易成为陷阱中心而捕获各种缺陷,因而多壁管的管壁上通常布满小洞样的缺陷[3]。与多壁管相比,单壁管直径大小的分布范围小,缺陷少,具有更高的均匀一致性。单壁管典型直径在0.6-2纳米,多壁管最内层可达0.4纳米,最粗可达数百纳米,但典型管径为2-100纳米[4]。 一碳纳米管的性能 碳纳米管因其小尺寸效应和独特的分子结构,具有优异的物理化学性能。一维分子材料和六边形完美连接结构使碳纳米管具有质量轻、强度高的特点;较大长径比及sp2、sp3杂化几率不同使碳纳米管具有优良的弹性;直径、螺旋角以及层间作用力等存在的差异使碳纳米管兼具导体和半导体的特性;独特的螺旋状分子结构使碳纳米管构筑的吸波材料具有比一般吸收材料高得多的吸收率。此外,碳纳米管还具有独特的光学性能,良好的热传导性,极高的耐酸、碱性和热稳定性[5]。 碳纳米管的物理性质 1、高的机械强度和弹性。 2、强度≥100倍的钢,密度≤1/6倍的钢 3、优良的导体和半导体特性(量子限域所致) 4、高的比表面积 5、强的吸附性能 6、优良的光学特性 7、发光强度随发射电流的增大而增强。 二碳纳米管的应用前景 由于碳纳米管独特的结构,使其具有很好的电学性能和力学性能,因此,被广泛应用于研制碳纳米管基电子器件、碳纳米管的纳米复合材料、表面强化等领域[6]。 1电学应用领域 由于碳纳米管具有很好的电学性能,特别是经高温退火处理消除部分缺陷后的碳

碳纳米管纳米材料的应用要点

碳纳米管及其复合材料在储能电池中的应用摘要碳纳米管具有良好的机械性能和导电性、高化学稳定性、大表面积以及独特的一维结构,选择合适的方法制备出碳纳米管复合材料,可以使其各种物理化学性能得到增强,因而在很多领域有着极大的应用前景,尤其是在储能电池中的应用。本文分析了碳纳米管及其复合材料的特点,总结了碳纳米管的储锂机理,对其发展趋势作了展望。 关键词碳纳米管复合材料储能电池应用 Abstract carb on nano tubes(CNTs) are nano meter-sized carb on materials with the characteristics of unique one-dimensional geometric structure large surface area high electrical conductivity,elevated mechanical strength and strong chemical inertn ess. Selecti ng appropriate methods to prepare carb on nano tube composites can enhance physical and chemical properties , and these composites have a great future in many areas especially in energy storage batteries . In this paper, based on the analysis and comparis on of the adva ntages and disadva ntages of carb on nano tube composites the enhan ceme nt mecha ni sms of the CNTs catalysts are in troduced. Afterwardthe lithium ion storage properties are summarized according to the preparation methods of composite materials. Finally, the prospects and challenge for these composite materials are also discussed. Keywords carb on nano tube; composite; en ergy storage batteries; applicati on 1引言 碳纳米管(CNTs)在2004年被人们发现,是一种具有特殊结构的一维量子材料,它 的径向尺寸可达到纳米级,轴向尺寸为微米级,管的两端一般都封口,因此它有很大的强度,同时巨大的长径比有望使其制作成韧性极好的碳纤维。碳纳米管由于其独特的一维纳米形貌被作为锂离子电池负极材料广泛研究,通过对碳纳米管进行剪切,官能化及掺杂等方法进行改性处理,能有效的减少碳纳米管的首次不可逆容量,增加可逆的储锂比容量。此外,碳纳米管的中空结构也成为抑制高容量金属及金属氧化物体积膨胀理想复合基体。本文中,我们研究了碳纳米管的储锂性能,考察了碳纳米管作为锡类复合材料基体,其内部限域空间对高容量金属及金属氧化物的储锂性能促进的具体原因。该研究结果为碳纳米管以及其他具有限域空间的结构在锂离子电池中的应用提供了参考。 2碳纳米管的储锂机理和应用 相比广泛应用的石墨类材料,碳纳米管在锂离子电池负极材料中有其独特的应用优势。首先,碳纳米管的尺寸在纳米级,管内及间隙空间也都处于纳米尺寸级,因而具有纳米材料的小尺寸效应,能有效的增加锂离子在化学电源中的反应活性空间;其次,碳纳米管的比表面积较大,能增加锂离子的反应活性位,并且随着碳纳米管的管径减小其表现出非化学平衡或整数配位数的化合价,储锂的容量增大;第三,碳纳米管具有良好的导

计算流体实验报告4

中山大学 本科生实验报告书 院系工学院应用力学与工程系 专业班级理论与应用力学07级 实验课程计算流体力学 姓名丁鹏 学号 07300129 指导教师詹杰民余凌晖

实验四 方腔环流问题 (一) 实验目的 用数值方法计算二维不可压缩无粘流体方腔环流的流函数和势函数,用相关软件绘制流函数和势函数的图形并作分析。 (二) 实验内容 如下图所示,是二维方形腔体,腔体内部充满流体。当顶板眼水平方向被均匀拉动时,腔体内的流体将被带动而做环状运动。这种环流导致了腔体底边出现二次涡。 方程和边界条件 用流函数涡量法,ψ,ξ满足下列无量纲形式的定常方程和边界条件 ξψψ-=??+ ??2 2 22 y x ξξψξψ2 Re 1?= ????- ????y x x y 0=ψ,在腔体四边 =-=??v x ψ,在AB 和CD 上 0==??u y ψ,在AD 和BC 上 其中,Re 为雷诺数 图表 1 方腔环流

2.取正方形网格(如图6.7所示), 图表 2 方腔环流网格 用二阶精度的差商代替上式中的微商,得 ()() j i j i j i j i j i j i j i h h ,2 1 ,,1 ,2 ,1,,122ξψ ψψ ψ ψψ -=+-- +--+-+ ()() ()() ?? ? ? ? ?+-+ +-= --- ---+-+-+-++--+2 1,,1,2 ,1,,12 1,1 ,,1,12 ,1,11 ,1 ,22Re 144h h h h j i j i j i j i j i j i j i j i j i j i j i j i j i j i ξξξξξξξξ ψ ψ ξξ ψ ψ 引进松弛因子1ρ,2ρ方程可化为下列的迭代格式 () ()n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i h ,111 ,1 ,1,1,12 ,11,14 ψ ρψ ψ ψψ ξρψ -+++++= +-++-++ () ()()( )()[]()n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i n j i ,21 ,1,1,11 ,1 ,1,1,11 ,1 1 ,1,1,1,12 1 ,14 Re 4 ξρξξ ψ ψ ξξ ψ ψ ξξξξ ρξ--+--+--+++= +-+-++-+-++-++-++ 为了得到涡量的边界条件,令方程在腔体四边也成立,利用Taylor 公式,边界条件,边界条件成立 01=+n s ψ ,在四边 ( ) 2 12h n s n s n s ψψ ξ -*- =+,在两侧和底边 ( ) 2 12h h n s n s n s +-*- =+ψψ ξ ,在顶面 3.计算步骤

碳纳米管的研究进展及应用

碳纳米管的研究进展及应用 一引言 1.1 纳米材料 纳米材料是近年来受到人们极大关注的新型领域,纳米材料的概念形成于20世纪80年代,在上世纪90年代初期取得较大的发展。 广义地说,纳米材料是指其中任意一维的尺度小于100nm的晶体、非晶体、准晶体以及界面层结构的材料[1]。当小粒子尺寸加入纳米量级时,其本身具有体积效应、表面效应、量子尺寸效应和宏观量子隧道效应等。 纳米材料具有四大特点: 尺寸小、比表面积大、表面能高、表面原子比例大。从而使其具有奇异的力学、电学、光学、热学、化学活性、催化和超导特性,使纳米材料在国防、电子、化工、催化剂、医药等各种领域具有重要的应用价值。 1.2 碳纳米管 碳是自然界分布非常普遍的一种元素。碳元素的最大的特点之一就是存在多种同素异形体,形成许许多多的结构和性质完全不同的屋子。长期以来,人们一直以为碳的晶体只有两种:石墨和金刚石。直到1985年,英国科学家Kroto 和美国科学家Smalley在研究激光蒸发石墨电极时发现了碳的第三种晶体形式 C60[2],从此开启了人类认识碳的新阶段。 1991年,日本NEC公司基础研究实验室的电子显微镜专家饭岛(Iijima)发现了多壁碳纳米管(MultiWalled Carbon Nanotubes ,MWNTs),直径为4-30nm,长度为1um。,最初称之为“Graphite tubular”。 1993年单壁碳纳米管也被发现(Single-Walled Carbon Nanotubes ,SWNTs),直径从0.4nm到3-4nm,长度可达几微米。碳纳米管(CNT)[3]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。

计算流体力学课程大作业

《计算流体力学》课程大作业 ——基于涡量-流函数法的不可压缩方腔驱动流问题数值模拟 张伊哲 航博101 1、 引言和综述 2、 问题的提出,怎样使用涡量-流函数方法建立差分格式 3、 程序说明 4、 计算结果和讨论 5、 结论 1引言 虽然不可压缩流动的控制方程从形式上看更为简单,但实际上,目前不可压缩流动的数值方法远远不如可压缩流动的数值方法成熟。 考虑不可压缩流动的N-S 方程: 01()P t νρ??=? ? ??+??=-?+???? U U UU f U (1.1) 其中ν是运动粘性系数,认为是常数。将方程组写成无量纲的形式: 01()Re P t ??=?? ??+??=-?+????U U UU f U (1.2) 其中Re 是雷诺数。 从数学角度看,不可压缩流动的控制方程中不含有密度对时间的偏导数项,方程表现出椭圆-抛物组合型的特点;从物理意义上看,在不可压缩流动中,压力这一物理量的波动具有无穷大的传播速度,它瞬间传遍全场,以使不可压缩条件在任何时间、任何位置满足,这就是椭圆型方程的物理意义。这就造成不可压缩的N-S 方程不能使用比较成熟的发展型...偏微分方程的数值求解理论和方法。 如果将动量方程和连续性方程完全耦合求解,即使使用显示的离散格式,也将会得到一个刚性很强的、庞大的稀疏线性方程组,计算量巨大,更重要的问题是不易收敛。因此,实际应用中,通常都必须将连续方程和动量方程在一定程度上解耦。 目前,求解不可压缩流动的方法主要有涡量-流函数法,SIMPLE 法及其衍生的改进方法,有限元法,谱方法等,这些方法各有优缺点。其中涡量-流函数法是解决二维不可压缩流动的有效方法。作者本学期学习了研究生计算流体课程,为了熟悉计算流体的基本方法,选择使用涡量-流函数法计算不可压缩方腔驱动流问题,并且对于不同雷诺数下的解进行比较和分析,得出一些结论。 本文接下来的内容安排为:第2节提出不可压缩方腔驱动流问题,并分析该问题怎样使用涡量-流函数方法建立差分格式、选择边界条件。第3节介绍程序的结构。第4节对于不同雷诺数下的计算结果进行分析,并且与U.GHIA 等人【1】的经典结论进行对比,评述本

碳纳米管制备技术研究进展

姓名:陈静学号:2009200428 碳纳米管制备技术研究进展 摘要:碳纳米管是一种具有独特结构的一维量子材料,由石墨碳原子层卷曲而成。由于拥有潜在的优越性能,碳纳米管无论在物理、化学还是在材料学领域都将有重大发展前景。近年来,美国、日本、德国和中国等国家相继成立了纳米材料研究机构,碳纳米管的研究进展随之加快,并在制备及应用方面取得了突破性进展。本文着重从碳纳米管的制备方法与应用前景两方面,阐述了碳纳米管的研究进展与发展潜力。 0 引言 随着微电子技术的进一步发展,微细化成为器件的重要发展方向,纳米器件的研究成为近几年的热点。并出现了许多不同的纳米器件制备工艺,如,:操纵原子、模板法制备纳米材料、纳米材料选择性生长等,但还未出现材料选择性好、成本低、可批量生产的技术。目前,以纳米材料为模块,采用自下而上的构筑加工工艺(Bottom-up)制作纳米器件已成为一个亮点。这种工艺中,纳米材料可经不同制备方法获得,并可对其进行提纯、筛选等一系列前处理,进而充分保证了材料的质量,Bottom-up的构筑方式可根据设计要求实现任意纳米级尺寸的纳米器件,但目前还未出现有效、可控排布纳米材料的有关报道。 碳纳米管由于具有独特的结构、电学性质,已成为制备纳米器件的首要候选材料。碳纳米管是一种一维管状分子结构的新型功能材料,以其特殊的结构显示出了极强的量子效应和奇特的物理化学性能,在催化、复合材料、储能材料和微电子器件等诸多领域表现出了很大的潜在应用前景。目前制备碳纳米管的方法有石墨电弧法、激光法、催化裂解法(CVD)等,其中前两种方法存在产量少,不易实现工业化生产的特;而CVD法以其设备简单,成本低,反应过程容易控制,产量高等优点成为目前制备碳纳米管的主流。

碳纳米管及其应用研究

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/0a3005946.html, 碳纳米管及其应用研究 作者:成尔军 来源:《中小企业管理与科技·下旬》2010年第02期 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

方腔顶盖驱动流数值模拟

方腔顶盖驱动流数值模拟 王向伟 (西安交通大学化学工程与工艺系 710049) 摘要:在计算流体力学的研究中,通常要计算方腔驱动流问题来检验各种N-S数值方法的有效性。要用Fluent软件对标准计算流体力学测试算例——方腔驱动流问题进行了模拟分析,其计算结果与文献中的标准解符合的比较好。 关键字:N-S方程方腔驱动流Fluent数值求解 流体流动的数值模拟广泛应用于气象、航天、机械、采矿等自然研究和工程计算的各个领域。近年来,随着高性能计算与通信的迅速发展,针对流体流动的数值模拟以及求解相应Navier Stokes方程(简称NS方程)的高级算法研究现已成为目前国内外备受关注的热点和前沿课题。Fluent软件是用于模拟具有复杂外形的流体流动以及热传导的计算机程序,可以有效地模拟方腔驱动流问题,为计算流体力学的算法理论研究提供仿真参考。 1、N-S方程 纳维司托克斯方程是描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程。简称N-S方程。 在直角坐标系中,可表达为如下所示: 后人在此基础上又导出适用于可压缩流体的N-S方程。N-S方程反映了粘性流体流动的基本力学规律,在流体力学中有十分重要的意义。它是一个非线性偏微分方程,求解非常困难和复杂,目前只有在某些十分简单的流动问题上能求得精确解;但在有些情况下,可以简化方程而得到近似解。 2、数值计算 2.1、物理模型 在一个正方形的二维空腔中充满等密度的空气,方腔每边长为0.1m,其顶板以0.1m/s 的速度向右移动,同时带动方腔内流体的流动,流场内的流体为层流。计算区域示意图如图1所示。在fluent软件中建立方腔流动问题的模型

在gambit软件中建立模型划分网络 2.2 fluent软件求解计算 迭代过程中的残差图如图3所示:

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