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奈米碳管的發展與相關應用
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奈米碳管的發展與相關應用

化材系 孫嘉良 助理教授

吳沐騰 研究生

一、前言

  隨著科技的進步,微米技術已無法滿足人類的需求,進而追求奈米級的技術層面;而在奈米材料中,以奈米碳管最受矚目,主要是因其導電特性、拉張強度、復原性及導熱性等特徵極為優異,故近幾年來最受學者重視,並投入大量的研究。

二、奈米碳管的發現

  就以碳原子所組成結構而言,第一種純碳結構為我們日常碰見的石墨結構,第二種結構成為鑽石結構;而我們現在所要談的奈米碳管,則屬於第三種藉由純碳所組成的中空結構,此中空結構稱為碳簇,最原始的起源是由於 Kroto et al. 發現了巴克球[1],或是我們常說的碳六十,碳六十顧名思義即是由 60 個碳原子所組成中空體,其直徑僅一奈米長。由於第三種結構的發現,吸引了許多研究者的重視與投入研究,使得其有相當快速的發展,更產生相當多新型態的碳機結構,如巴克蔥等,其中以 1991 年日本 NEC 公司基礎研究實驗室的飯島澄男用電弧放電法所產生的奈米碳管最受人注目[2]。其原本合成碳六十,但發現碳六十上頭有些針狀物,便利用高解析穿透式電子顯微鏡觀察這些針狀物,發現針狀物為奈米級大小的多層石墨層所組成,各管同軸方向排列的中空碳管,現在我們稱之為多層奈米碳管。隨後 Bethune et al. 以過渡金屬為觸媒[3],藉由電弧法合成出單層奈米碳管。近幾年則有人積極研究,以不同的方式去合成奈米碳管,使有關奈米碳管得研究有相當顯著的成效。

三、奈米碳管的製程

  (一)電弧放電法:石墨電極置於充滿氦氣或氬氣的反應容器中,在兩極之間激發出電弧,此方式可瞬間達到極高的溫度 (約 4000 度),使得石墨蒸發,生成的產物有碳六十、無定型碳和單壁或多壁的碳奈米管。此種方法在製備奈米碳管上較為簡單,但是生成物多為許多碳六十等相關產物,很難得到純度較高的奈米碳管,並且得到較多的多層奈米碳管,而實際我們想要的往往是單層的奈米碳管。

  (二)電爐加熱法:首先將基板上以熱蒸鍍或液相塗佈等方法鍍覆過渡金屬做為催化劑,並在高溫爐中退火或還原,使其成為奈米級的金屬顆粒,通入 CH4 反應氣體進入高溫的石英管爐中反應,其 CH4 會因高溫而催化分解成碳,並吸附於過渡金屬催化劑表面而沉積成長,進而生成奈米碳管。

  (三)電漿輔助化學氣相沉積法:在低壓的狀態下,通以多種氣體通過放電電漿,藉由外加電場提供能量使得反應氣體活化,而在基板上進行薄膜沉積。因藉由外加電場使得電子獲得能量,在藉由高速電子經由彈性或非彈性碰撞將能量轉移到氣體分子上,使其被激發、解離形成高能量的離子、電子和中性粒子。由於使用電漿輔助化學氣相沉積法,可使反應氣體活化成激發態,所以可以而降低反應所需活化能,故可大幅降低製程溫度。

四、奈米碳管生長機制(化學氣相沉積法)

  以化學氣相沉積法生長奈米碳管,催化劑扮演非常重要的角色,奈米碳管之結構和結晶方向與觸媒的大小、種類有極大的關係。Baird et al. 曾提出表面擴散機制[4],認為碳原子是藉由藉由催化劑顆粒表面擴散,析出碳纖維,而中空管是因為由於催化顆粒與基材間的接觸角所造成的;而奈米碳管之所以可以藉由擴散生成奈管主要因素可有兩部分,分別為溫度梯度造成的化學位能差進而使得碳發生體積擴散(主要驅動力)和濃度梯度驅使碳在催化劑顆粒中進行擴散。就奈米碳管的生長模式而言,一般分為底部成長和頂部生長[5],主要視催化劑與基板的結合力強弱而定,若催化劑與基板結合力強,使得奈米碳管生長過程,催化劑顆粒一直位於奈米碳管的底部,則稱為底部成長型;反之,若催化劑與基板間的結合力弱,使得奈米碳管生長過程,催化劑顆粒隨著奈米碳管的成長而移動(上升),則稱為頂部成長型。

五、奈米碳管的相關應用

  奈米碳管應用領域包括了做為場發射平面顯示器中的場發射電子源,利用添加不同的氣體於反應氣體中,藉此改變碳管內部的結構,以提升電子場發射的能力;或是將其應用在顯微鏡的掃描探針上。因為奈米碳管具有良好的機械強度,大的曲率和觀察物體的表面和狀態皆有良好的再現性,所以奈米碳管可視為理想的探針材料之一。由於奈米碳管的特殊電學特性以及其微小尺寸可做成量子導線和場效電晶體製成奈米電子的元件,更因為奈米碳管具有相當大的表面積,可將奈米碳管做為良好的吸附材料,將大量的氫氣吸附在奈米碳管的管壁上,可以做為燃料電池所需的儲氫材料,可大量改善燃料電池的儲氫量,將奈米碳管當成燃料電池的電極,則可以提升電池的最大效能。

六、結論

  由於奈米碳管因具有高機械強度、質量輕、表面積大、高曲度、高熱傳導及熱穩定,再加上導電性特異等特性,故未來的將會越來越受人所重視;但由於目前想要製造出高純度及品質穩定的奈米碳管仍然相當困難,使得奈米碳管之價格仍然居高不下,使得其應用在產業上的普遍性並不高,假若奈米碳管之生成技術能有突破性的改進,則能普遍的應用在產業上,甚至應用於我們的一般生活用品中,進而改善我們的生活。

參考文獻
[1] H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, R. F. Curl, and R. E. Smalley, "C60 Buckminsterfullerence," Nature, 318 (1985) 162.
[2] S. Iijima, "Helical microtubles of graphitic carbon," Nature, 354 (1991) 56.
[3] D. S. Bethune, C. H. Kang, M. S. de Vries, G. Gorman, R. Savoy, J. Vazquez, and R. Beyers, "Cobalt-catalysed" growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls," Nature 363(1993) 483.
[4] T. Baird, J. R. Fryer, and B. Grant, "Carbon for mation oniron and nickel foiels by hydrocarbon pyrolysis-rractions at 700 ℃," Carbon 12 (1972) 591.
[5] S. B. Sinnott, R. Andrews., D. Qian., A. M. Rao., Mao Z, E. C. Dickey, and F. Derbyshire, "Model of carbon nanotube growth through chemical vapor deposition," Chemical Physics Letters 315 (1999) 25.
  
 

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