一种碳纳米管表面镀层工艺的制作方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种碳纳米管表面镀层工艺。
【背景技术】
[0002]碳元素作为自然界中最普遍的元素之一，一直以来，人们认为自然界只存在着三种碳的同素异形体:金刚石，石墨，无定形碳。1985年，Smally等人发现了足球状的C60分子，其60个碳原子分别位于由20个六边形环与12个五边环组成的足球状多面体的顶点上，其后c70等的相继发现，标志着碳的同素异形体的又一家族富勒烯的出现。人们对碳族材料的研究也逐渐深入。碳纳米管可以说是继C60发现后碳族科学研究中的又一个惊喜。当1991年日本NEC的电镜专家Iijima把电弧放电后的烟苔放在电镜下观察时，发现碳原子形成了一种无缝中空的管状结构。这种结构其长度为几十微米，而直径尺寸却仅为十几纳米。因此，这种管状物质就被命名为碳纳米管(CarbonNanotubes)，又名布基管。
[0003]碳纳米管是由碳原子中sp2杂化为主，混合有sp3杂化所构筑成的理想结构。由于其纳米尺寸和独特的成键结构，使得其具有许多优异的性能。这些优异的性能主要体现在三个方面:特殊的力学性能、管内填充性能及电磁性能。
[0004]碳纳米管其密度只有钢的六分之一，但强度却是钢的100倍，单根多层碳纳米管杨氏模量平均为118TPa，弯蓝强度达1412GPa。可将其作为探针型电子显微镜的探针，可极大的提高显微镜的分辨率。
[0005]碳纳米管特有的中空结构和管端的化学活性且具有大量的微孔，利用碳纳米管的毛细现象可以将某些元素填入碳纳米管内部，可以用来制作储氢材料及催化剂载体。
[0006]顾名思义，碳纳米管的管口直径必然在纳米级，但其长度则可达到数微米至数毫米，因而具有很大的长径比，在碳纳米管中电子径向运动受到限制，而轴向运动则不受任何限制，因此是很好的一维量子导线，可以做成复合纤维、纳米级金属丝等。用扫描隧道显微镜对单壁碳纳米管的研究表明:一些单壁碳纳米管表现为金属性，而另一些碳纳米管则表现为半导体性。甚至在同一根碳纳米管上的不同部位，由于结构的变化，也可以呈现出不同的导电性。与单壁碳纳米管不同的是，对多层碳纳米管的电子结构理论研究结果表明，两个金属性或半金属性的单层碳纳米管同轴套构而成的双层碳纳米管，仍保持其金属性或半金属性的特性。而且，当一个金属性单层碳纳米管与一个半导体性单层碳纳米管同轴套构而形成一个双层碳纳米管时，两个单层管仍保持原来的金属性和半导体性。
[0007]而碳纳米管则可以看成是由二维石墨片层以一个方向为轴，卷曲而成的无缝中空的管状结构，其管体由六边形碳原子网格围成，两端则通常可视作两个半球形的大富勒烯分子组成。如果碳纳米管只由一个石墨层围成的圆柱面构成，我们则称其为单壁碳纳米管。单壁碳纳米管的直径较细，一般为几纳米到十几个纳米。到目前为止，所发现的最细的单壁碳纳米管直径仅为0.4nm。
[0008]如果碳纳米管是由不止一个圆柱面嵌套而成，则称之为多壁碳纳米管。多壁碳纳米管的层间距为0.34nm，与石墨的层间距大致相仿。多壁碳纳米管由于具有多层管壁，其直径相对较大，一般为几十纳米。碳纳米管的长度较长，一般可达几十到上百微米，随各种制各方法的不同而不同-目前，己有报道的最长的碳纳米管其长度可达几个毫米。但大部分碳纳米管长度仍处在微米量级。并非所有的碳纳米管都是两端封闭的。大量实验研究表明:有些碳纳米管的两端是开口的。两端封闭与否因碳纳米管的生长条件而异。而且，也并非所有的碳纳米管都是笔直的。受生长环境的影响，如在生长过程中碳源的供应、生长过程中气流等因素的影响，碳纳米管尤其是多壁碳纳米管在生长过程中容易在六边形网状结构中引入五边形和七边形，从而使管体的圆柱面上相应产生正的和负的弯曲曲率，导致碳纳米管的弯曲从拓扑学上讲，五边形和七边形应该是同样的。当然，可以采用特殊工艺使得碳纳米管笔直生长而且使其取向相同排列成阵列。此外，除了以上所述的较为常见的结构夕卜，碳纳米管还具有一些特殊的结构，如弹簧式的螺旋结构，竹节壮的中空结构和在管体上的分叉结构等。这些结构由于其特殊的结构而具有?些特殊的性能和用途。但它生长机理尚不清楚，一般认为，这是由于在生长过程中的未知扰动所造成的结果。对碳纳米管而言，当碳纳米管管体上的六元原子链的排列方向平行管轴时，由于其边缘呈椅状，我们称其为椅形碳纳米管(armchair)。如果六元原子链的排列方向垂直于碳纳米管的管轴，由于其边缘为锯齿状(zigzag)，因而称其为锯齿形碳纳米管。如果其六元原子链既不垂直又不平行碳纳米管管轴时，此时碳纳米管具有一定的螺旋度，这样的碳纳米管称之为手性碳纳米管。
[0009]在讨论碳纳米管能级分裂时已经提到过，当粒子尺寸下降到某一值时，会导致能级的形式不同予宏观或高温的物体，产生能级分裂。
[0010]纳米碳管还具有小尺寸效应，当超细微粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性边界条件将被破坏，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的小尺寸效应。
[0011]碳纳米管具有表面效应，纳米微粒尺寸小，表面能高，位于表面的原子占相当大的比例，这是的表面原子具有高的活性，极不稳定，很容易与其他原子结合。
[0012]微观粒子具有贯穿势皇的能力称为隧道效应。人们发现一些宏观量办具有隧道效应，称为宏观量子隧道效应。
[0013]当体系的尺度进入到纳米级，一般金属粒子为几个纳米，半导体粒子为几十纳米，体系是电荷“量子化”的，即充电和放电过程是不连续的，充入一个电子所需的能量C为小体系的电容，体系越小，C越小，能量Ec越大，这个能量称为库仑堵塞能。库仑堵塞能是前一个电子对后一个电子的库仑排斥能，这就导致了对一个小体系的充放电过程，电子不能集体传输，而是一个一个单电子的传输。通常把小体系这种单电子输运行为称库仑堵塞效应。如果两个量子点通过一个“结”连接起来，一个量子点上的单个电子穿过能皇到另一个量子点上的行为称作量子隧穿。
[0014]石墨具有各向异性，因此其电子性质也是各向异性的。由于相邻原子的电子万轨道互相重叠形成大石键，因此电子主要在石墨片层中移动，而在层问电子几乎不能移动，电阻较大。碳纳米管是由石墨片卷曲而成的，因此可以想象，在碳纳米管中电子是以螺旋的形式运动的，从而形成螺旋状