2吨
哥伦比亚大学的研究生，来自 中国的韦小丁和韩裔李琩钴。
超坚韧的 防弹衣 纸片般薄的超轻型飞机材料
球拍
制作假肢
钓鱼竿
强度
比世界上最好的钢铁高100倍
美国国家航空航天局（NASA）悬赏 400万美金
石墨烯——目前最强功能材料
世界上导电性最好的材料
各碳原子之间的连接非常柔韧，当施 加外部机械力时，碳原子面就弯曲变 形，从而使碳原子不必重新排列来适 应外力，也就保持了结构稳定。
Andre Geim Konstantin Novoselov
获奖
2010年 诺贝尔物理学奖
富勒烯
碳纳米管
石墨
建筑师巴克敏斯特· 富勒的设计之一
富勒烯（或者巴基球，C60 ， 足球烯的结构）
碳纳米管
在1991年日本NEC公司的电子 显微镜专家饭岛澄男(Iijima) 检 验石墨电弧设备中产生的球状碳 分子时，意外发现了由 “Carbon nanotube”，即碳纳米 管
10m
1km
100km
1万km
单电子晶 体管
柔性晶体 管
宇宙电梯
两极性晶 体管
LSI 总体布 线
在研
裸 眼
光学显微镜
可见光波段：400-700nm
电子显微镜（SEM）
~ 10kV
5 mm
SEM 光学显微图
电子显微镜（LEEM）
I. 由低能量的弹性背散射电 子成像．典型能量为 130eV； II. 横向分辨率已达15nm， 纵向分辨率达到原子级。
经典2维电子气
相对论粒子
电子在其中的运动速度达到了光速的1/300
石墨烯——目前最强功能材料
世界上导电性最好的材料
1. 电子能够极为高效地迁移（而传统的半导体和导体，例如硅 和铜，远没有石墨烯表现得好）。 2. 电子能量不会损耗。由于电子和原子的碰撞，传统的导体和
半导体以热的形式释放了一些能量，目前一般的电脑芯片以
复合材料填料
仅就使用量而言，复合材料用填料是碳纳米管目前最大的应用领域 可用于制备高性能化和多功能性兼备的纳米复合材料 小尺寸特点决定了其聚合物复合材料可通过通用型聚合物加工设备进行生产
生物、医药领域
利用其高强度和柔韧性制备人造肌肉、人造骨骼等
药物输运(drug delivery)
碳纳米管的分类
SWNT
• 按石墨烯的层数分类
MWNT
(1)单壁碳纳米管（SWNT）：只有一个石墨烯层 (2)多壁碳纳米管（MWNT）：有两个或两个以上石墨烯层
MWNT
可视为“同轴多层碳圆柱体的组装体”– Russian doll 层间距~0.34 nm (石墨片层间距0.335 nm)
力学性能
• 高机械强度：钢100倍强度，1/6重量 • 高长径比: 103数量级
• 高比表面: 400-500m2/g
碳纳米管的特性
热学性能
管轴平行方向的热交换性能很高，但在其垂直方向的热交换性能较低。 热高各向异性材料。
电学性能
• 碳纳米管具有开放的多孔结构，并能在与电解质的交界面形成双电层， 从而聚集大量电荷，具有制备高性能超级电容器的潜质； • “内腔含水的”单根单壁碳纳米管：管中的自由载流子与管内的水分 子会产生一定程度的耦合，可以产生‘电动马达’和‘发电机’效应； • 由量子限域效应带来的金属性和半导体性
……
“纳米奥巴马”
每个纳米奥巴马头像包含着1.5 亿个碳纳米管，这些碳纳米管像 丛林中的树木一样垂直地排列着。
“纳米暖男”——碳纳米管升级装备
称量一亿分之二百克的 “纳米秤”
“拉开纳米管制备石墨烯”
Nanotube Covers
石墨烯
透明胶带 SiO2
HOPG
高定向裂解石墨
Si
“完美二维晶体结 构无法在非绝对零 度下稳定存在”
4. 化学还原
2 g of sample
Ethanol 5 ml Sodium 2 g
0.5 g graphene (0.1 g per ml)
TEM
220 ºC 72 hr
Rapidly pyrolyzed
Sealed vessel
200 nm
5. 化学还原
我愿意成为第二种人， 当然我会像平常一样走 进办公室，继续努力工 作，继续平常生活。
• • • • • • • • 石墨电弧放电法 化学气相沉积法 激光蒸发法 等离子体法 热解聚合物法 离子辐射法 催化裂解法 电解法
管径均匀且结构可控 纯度高、成本低 连续批量生产
碳纳米管的特性
导电性
天梯材料的唯一选择
超长单壁碳纳米管细丝(直径50～500 nm) 在90～300K间， 电阻率ρ=5～7μΩ/m
原子力显微镜（AFM）
扫描隧道显微镜（STM）
石墨烯的制备：
微机械剥离法 碳纳米管横向切割法 微波法
电弧放电法 光照还原法 外延生长法
石 墨 烯 的 制 备 方 法
石墨氧化还原法
电化学还原法
溶剂热法 液相剥离石墨法
碳化硅裂解法
化学气相沉积法
1. 石墨
HOPG
Pencil
2. 碳化硅（SiC）
微观结构至少在一维方向上受纳米尺度(1-100nm) 调制的碳材料，或以其为基本单元构成的材料。
a c b
a < 100 nm or b < 100 nm or c < 100 nm
碳纳米材料的分类
零维C60 (Fullerene)
一维碳纳米管 (Carbon Nanotube)
二维石墨烯 (Graphene)
获得诺贝尔奖的有两种人：一种 是获奖后就停止了研究，至此终 老一生再无成果；一种是生怕别 人认为他是偶然获奖的，因此在 工作上倍加努力。
海姆（左）和诺沃肖洛夫在英国曼彻斯特大学
谢谢大家！
海姆（左）和诺沃肖洛夫
01
最薄最轻
高
室温下为200,000 cm2/Vs（硅的100倍）， 理论值为1,000,000 cm2/Vs
03
电流密度耐性最大
2108 A/cm2(Cu的100倍)
04
强度最大
破坏强度：42N/m，杨氏模量与金刚石相当
碳纳米管的应用
储氢材料
室温、1bar压力下，SWNT可储氢5-10wt%，MWNT则为14wt%
可逆储/放氢量~5 wt%，迄今为止最好的储氢材料
嵌入碱金属后，能极大地提高储氢性能
分子（纳米）器件
催化剂载体
比表面积大，表面原子与总原子比率可高达50％ 气体通过碳纳米管的扩散速度为通过常规催化剂颗粒的上千倍 担载后，催化剂的反应活性和选择性指数级上升，对传统的化学合成工业将产生革命性的影响
1. 碳纳米材料的定义
2. 碳纳米材料的分类 3. 碳纳米管
4. 石墨烯
碳元素的地位
1. 碳在地球中的丰度居元素的第14位；
2. 碳元素是形成物种最多的元素之-----有机物更是生命的根本； 3. 碳是生铁、熟铁和钢的成分之一；
碳元素的地位
金刚石 巴基球
晶型碳
石墨
巴基葱 富勒碳
碳纳米管
石墨烯
碳纳米材料
armchair
zigzag chiral
n=m
n=0 n ≠ m, m ≠ 0
根据电子结构的不同，SWNT可分为 金属性 半导体性 (n-m)/3为整数 (n-m)/3为非整数
单石墨片层
armchair型SWNT
zigzag型SWNT
chiral型SWNT
碳纳米管的制备方法
Si atom Excess C atom SiC
SiC starting surface
UHV-grown graphene
Ar-grown graphene
• LEED点阵能反映表面重构的信息， 来判定是否有graphene的行成 • 实时俄歇电子谱测量最外层Si:C比 • STM图像能看到Graphene的单个原子
Better chemistry, better life!
材料化学 Chemistry of materials
朱连文
生物与化学工程学院
“纳米奥巴马”
“纳米硬汉”
“纳米暖男”
“太空电梯”
“网格球顶”
碳纳米材料 Carbon Nanomaterials
碳纳米材料 (Carbon Nanomaterials)
摩尔定律
IC上可容纳的晶体管数目，约每隔18个月便会增加一倍，性能 也将提升一倍。
石墨烯的出现可能会将摩尔定律延续下去，2025年以后可能 是从“硅”时代跨越到“石墨烯”时代。
石墨烯——目前最强功能材料
透明
1. 几乎是透明的（2.3％的光可被吸收；97.7％的光可被 传输）； 2. 光的饱和吸收。 透明导电膜
柔性
可弯曲、折叠
传导
超薄
透明
柔性
高性能传感器功能
类似“催化剂”的功能 吸氢功能 双极性半导体
可检测出单个有机分子
添加少量至树脂材料等，可强化 电子输送功能 已在低温下确认具有一定效果 无需添加剂即可实现CMOS构造 的半导体元件
常温下可实现无散射传输
只需变形即可获得事假强 磁场的电子能量效果
05
导热率最高
3000-5000 W/mK（与CNT相当）
石墨烯——目前最强功能材料
石墨烯 包装袋
迄今为止世界上强度最大的材料
Graphene Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Science 321, 385 (2008);