碳纳米管和富勒烯的光电特性和应用一、碳纳米管的结构性能及应用（一）碳纳米管的结构碳纳米管是指由类似石墨的六边形网格组成的管状物,可以看作是石墨片层绕中心轴按一定的螺旋角卷曲而成。

管子一般由单层或多层组成,相应的纳米碳管就称为单壁纳米碳管(SWNT)和多壁纳米碳管(MWNT)。

碳纳米管具有典型的层状中空结构特征,构成碳纳米管的层片之间存在一定的夹角碳纳米管的管身是准圆管结构，并且大多数由五边形截面所组成。

管身由六边形碳环微结构单元组成, 端帽部分由含五边形的碳环组成的多边形结构，或者称为多边锥形多壁结构。

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。

固定的距离，约为0.34nm，直径一般为2～20nm。

长度可达数微米,因此有较大的长径比。

资料表明:碳纳米管的晶体结构为密排六,c=0.6852nm,c/a=2.786 ,与石墨相比,a值稍小而c值稍大,预示着同一层碳管内原子间有更强的键合力,碳纳米管有极高的同轴向强度。

多壁碳纳米管存在三种类型的结构,分别称为单臂纳米管、锯齿形纳米管和手性形纳米管。

由于其独特的结构，碳纳米管的研究具有重大的理论意义和潜在的应用价值，如：其独特的结构是理想的一维模型材料;巨大的长径比使其有望用作坚韧的碳纤维，其强度为钢的100倍，重量则只有钢的1/6;同时它还有望用作为分子导线，纳米半导体材料，催化剂载体，分子吸收剂和近场发射材料等。

（二）碳纳米管的主要性质及应用（1）碳纳米管的性质如下：1. 碳纳米管上碳原子的P电子形成大范围的离域π键，由于共轭效应显著，碳纳米管具有一些特殊的电学性质。

碳纳米管具有良好的导电性能，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能。

理论预测其导电性能取决于其管径和管壁的螺旋角。

当CNTs的管径大于6nm时，导电性能下降；当管径小于6nm时，CNTs可以被看成具有良好导电性能的一维量子导线。

有报道说Huang通过计算认为直径为0.7nm的碳纳米管具有超导性，尽管其超导转变温度只有1.5×10-4K，但是预示着碳纳米管在超导领域的应用前景。

常用矢量Ch表示碳纳米管上原子排列的方向，其中Ch=na1+ma2，记为(n,m)。

a1和a2分别表示两个基矢。

(n,m)与碳纳米管的导电性能密切相关。

对于一个给定(n,m)的纳米管，如果有2n+m=3q（q为整数），则这个方向上表现出金属性，是良好的导体，否则表现为半导体。

对于n=m的方向，碳纳米管表现出良好的导电性，电导率通常可达铜的1万倍。

2. 碳纳米管具有很高的杨氏模量和抗拉强度，杨氏模量估计可高达5T Pa；同时碳纳米管还具有极高的韧性，十分柔软．碳纳米管的导电性与本身的直径和螺旋度有关，随着这些参数的变化可表现出导体或半导体性质。

碳纳米管管壁在生长过程中有时会出现五边形和七边形缺陷，使其局部区域呈现异质结特性。

不同拓扑结构的碳纳米管连接在一起会出现非线性结效应，有近乎理想的整流效应．在室温条件下，碳纳米管能够吸收较窄频谱的光波，能以新的频谱发射光波，还能发射与原来频谱完全相同的光波。

（2）碳纳米管还有以下的应用：1. 纳米电子学方面作为典型的一维量子输运材料，用金属性单层碳纳米管制成的三极管在低温下表现出典型的库仑阻塞和量子电导效应。

碳纳米管既可作为最细的导线被用在纳米电子学器件中，也可以被制成新一代的量子器件。

碳纳米管还可用作扫描隧道显微镜或原子力显微镜的探针。

碳纳米管还为合成其它一维纳米材料的控制生长供了一种模板或框架，碳纳米管在高温下非常稳定，利用碳纳米管的限制反应可制备其它材料的一维纳米结构。

这一方法用于制备多种金属碳化物一维纳米晶体和制备氮化物的一维纳米材料。

在硅衬底上生长碳纳米管阵列的工艺与现行的微电子器件的制备工艺完全兼容，这就为碳纳米管器件与硅器件的集成提供了可能。

2. 信息科学方面碳纳米管可制作碳纳米管场致发射显示器碳纳米管的顶端很细，有利于电子的发射，它可用做电子发射源，推动场发射平面显示发展。

实验证明在硅衬底上可生长规则的碳纳米管阵列，采用蒸发和掩膜技术在硅表面形成铁的薄膜微观图形，利用乙烯做反应气体，在适当的反应条件下，碳纳米管可垂直于衬底表面生长，形成规则的阵列，阵列的形状由衬底上铁膜的微观图形决定。

这种碳纳米管阵列的一个可能的直接应用是场发射平面显示。

西安交通大学朱长纯教授领导的研究小组采用新的技术，引导碳纳米管有序、定向地生长在导电的硅片衬底上引，并且进一步研制出功能完备的场发射像素管，由于其纯度高、有序性好，场发射性能也大为提高。

和传统显示器比，这种显示器不仅体积小，重量轻，大大省电，显示质量好，而且响应时间仅为几微秒，从零下45℃到零上85℃都能正常工作。

3. 材料方面应用碳纳米管的强度约比钢高100多倍，而比重却只有钢的1／6；同时碳纳米管还具有极高是未来的“超级纤维”，是复合材料中极好的加强材料，目前已经用于纳米结构复合材料和混凝土的强化。

对碳纳米管可控制生长技术、表征技术和应用的深入研究将会促进纳米科学和技术的发展，有助于发现新的效应，发展新的器件，以至于形成新的产业。

二、富勒烯C60 的结构性能及应用众所周知，碳元素有两种同素异形体－金刚石，石墨。

1970年，日本科学家小泽预言，自然界中碳元素还应该有第三种同素异形体存在。

经过世界上各国科学家15年的不懈努力和艰苦探索终于在1985年由美国Rice大学的Kroto等人在激光汽化石墨实验中首次发现含有60个碳原子的原子簇命名为C60及含有70个碳原子的原子簇命名为C70，C60及C70均具有笼形结构，在物理及化学性质上可看作三维的芳香化合物，分子立体构型属于D5h点群对称性。

与石墨相似，C60中每个碳原子与周围三个碳原子形成三个σ键，C-C-C夹角为116°，三个σ键角总和为348°，而不是平面三角形的360°，故为球面，由杂化轨道理论计算：C原子是采取sp2.28杂化，用三个杂化轨道形成σ键，每个C原子剩下的一个轨道（s0.09P0.90）与球面成101.6°，形成离域Π键，故具有芳香性。

C60中20个正六边形和12个正五边形构成圆球形结构，共有60个顶点，分别由60个碳原子所占有，经证实它们属于碳的第三种同素异形体，命名为富勒烯(Fullerene）．以后又相继发现了C44、C50、C76、C80、C84、C90、C94、C120、C180、C540。

等纯碳组成的分子，它们均属于富勒烯家族，其中C60 的度丰约为50% ,由于特殊的结构和性质，C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能，得到广泛的应用。

特别是1990年以来Kratschmer和Huffman等人制备出克量级的C60，使C60的应用研究更加全面、活跃。

C60具有缺电子烯的性质，同时它又兼备给电子能力，六元环间的6：6双键为反应的活性部位，可发生诸如氢化、卤化、氧化还原、环加成、光化与催化及自由基加成等多种化学反应，并可参与配合作用。

C60在超导、磁性、光学、催化、材料及生物等方面表现出优异的性能，对它的研究已广泛开展。

（1）超导体特性超导现象是大约10年前第一次在一种电子搀杂的富勒烯C60中发现的。

C60分子本是不导电的绝缘体，但当碱金属嵌人C60分子之间的空隙后，C60与碱金属的系列化合物将转变为超导体，如K3C60即为超导体，且具有很高的超导临界温度。

掺杂C60超导体的发现是超导领域的又一重大成果，这种超导体具有相对较高的临界温度，掺杂C60超导体的临界温度不仅远远高于所有的有机分子超导体，而且也大大高于以前发现的金属和合金超导体，只比现在炙手可热的氧化物陶瓷超导体低。

如果掺杂C60超导体的临界温度目前尚不能与高温氧化物超导体相比的话，那么这种超导体在其他方面却具有许多更为优越的性质，而这些性质都直接影响到超导体的实际应用.富勒烯超导体最大的优点在于这种化合物容易加工成所需要的各种形状；同时由于它们是三维分子超导体，各向同性，使得电流可以在各个方向均等地流动。

我们知道，氧化物陶瓷超导体是一种层状材料，表现为各向异性，在每层平面内和与平面垂直的方向上导电性质不同，同时这种陶瓷材料难于加工成线形或其他所需要的形状，给实际应用造成困难。

同时，富勒烯化合物超导体还具有较高的临界磁场和临界电流密度，理论分析和一些实验结果显示，在更大的富勒烯分子掺杂化合物中可能大幅度提高超导临界温度。

良好的性质和潜在的高临界温度为富勒烯超导体的应用创造了条件。

掺杂富勒烯超导体的可能应用包括磁悬浮列车，基于约瑟夫逊结和更新更快设计原理的高速计算机开关器件、长距离电力输送、超导发动机和发电机、作物理研究的大型磁铁（如超导超级对撞机）、超导计算机的电子屏蔽以及基于超导量子干涉器件（SQUID）的电子设备等方面。

掺杂的C60化合物显示超导电性，理论计算已经证明，不掺杂的C60是一种直接能隙半导体，由于C60分子在其格点位置作高速无序自由转动，使C60固体成为继Si，Ge和GaAs之后的又一种新型半导体材料。

日本三菱电气公司的研究人员已经用C60制成了一种新型富勒烯半导体。

随着研究的深入，富勒烯及其衍生的材料走向应用已指日可待。

C60及富勒烯家族的诞生是20世纪80年代的重大发现之一，具有重要意义的是，这些神奇的全碳分子及其衍生的物质显示新颖奇特的物理化学性质，它们首先是作为一种可实用化的新材料而出现的。

（2）光学特性由于C60分子中存在的三维高度非定域(电子共轭结构使得它具有良好的光学及非线性光学性能)。

C60光激发后很容易形成电子一空穴对从而产生光电子转移，C60还具有较大的非线性光学系数和高稳定性等特点，可以预计C60将是很好的光电导材料、新型非线性光学材料，有望在光计算、光记忆、光信号处理及控制等方面有所应用。

1. 光聚合特性由于双键的存在，富勒烯在一定的光照条件下双键被打开，与相邻的C60分子形成更加稳定的共价键而发生了聚合反应2.发光性质处于真空中的C60是没有发光性能的，当C60晶体吸附了一些气体，或者向C60晶体中参杂某种成分，甚至在C60笼上嫁接一些基团或者有机分子时，使原来不能发光的C60分子具备了发光性质。

3. 非线性光学器件实验和理论研究表明，C60和C70等富勒烯都是良好的非线性光学材料，C60/C70混合物（C70约占10%）的非线性光学系数约为1.1×10-9esu，C76甚至还具有光偏振性。

富勒烯分子中不存在对非线性光学性能有干扰作用的碳—氢键和碳-氧键，与其他非线性光学材料相比，性能更加优越。

美国西北大学的研究者们发现C60薄膜具有很高的二阶非线性光学系数，显示出在非线性光学器件方面的应用价值。