碳纳米管介绍 碳纳米管的制备方法

1 引言

自1991年日本Iijima教授发现碳纳米管以来，纳米技术吸引了大量科学家的兴趣和研究，是目前科学界的研究热点。基于碳纳米管独特的电学特性，提出了利用碳纳米管阵列构筑新型天线和传输线的设想。自此，国外相关机构也开展了有关碳纳米管和电磁波相互作用的研究利用碳纳米管构建新型的电磁波传输介质以及发展新型的天线技术成为微波领域研究的一个热点。

由于具有弹道输运效应以及准一维量子线特性，碳纳米管与传统金属管相比具有较低的欧姆损耗和较弱的趋肤效应，具有构建新型天线的可能，因此国内外对纳米天线进行了不少研究。研究了单根纳米管作为偶极子天线的性质，理论计算表明纳米管上电磁波的波长大约是自由空间中波长的1/50，具有在较低频段谐振的可能。但是由于单根碳纳米管天线输入阻抗很高，导致天线效率太低，并没有实际应用的可能。因此采用碳纳米管阵列构建微波器件更具有现实意义。提出采用中点馈电的碳纳米管束作为天线阵并采用CST进行仿真，结果表明纳米管束比单根纳米管的天线效率提高了30-40dB，文中把纳米管束作为电导率与纳米管根数成正比的单根天线来研究，在理论上不够准确，而且鉴于纳米管束的尺寸，采用中点馈电的方式激励纳米管束在实际中很难实现，所以耦合馈电方式是更好的选择。采用碳纳米管束组成圆形和矩形阵列并进行了仿真分析，讨论了纳米管阵列各尺寸参数对辐射的影响，但是该文并没有考虑到纳米管的量子效应并且缺乏相关实验。本文提出了一种新型的碳纳米管天线阵列研究方法，即采用传统微带天线和印刷八木天线分别加载碳纳米管束的方法对纳米管阵列进行空间馈电并进行了实验测试，测试结果表明加载碳纳米管阵列后微带天线辐射性能有明显改变。

2 碳纳米管材料 2.1 单壁碳纳米管

单壁碳纳米管是单层的圆筒形分子，仅由碳原子组成，在模型上可以看成是由层状结构的石墨片卷曲而成的半径为纳米尺度的空心管。图1示意了如何由石墨片按所标注的三种方向卷曲成碳纳米管。

图1 碳纳米管卷曲示意图

需要注意的是，这三种卷曲方式可以形成不同类型的碳纳米管，其电学性质也随之呈现金属性或半导体性，这是单壁碳纳米管一个非常重要的特性。

2.2 多壁碳纳米管

多壁碳纳米管可以被看成是由多层片状结构的石墨片卷曲而成的套筒结构，直径一般为15-50nm。实验结果表明单根的多壁碳纳米管电导率约为1000-2000s/cm，具有良好的导电性能。

2.3 碳纳米管的制备

目前碳纳米管的制备方法主要有三种，分别是弧光放电法，激光高温烧灼法以及化学气相沉淀法。本文采用的实验样品是使用化学气相沉淀法制备多壁碳纳米管阵列如图2所示。

图2 实验样品扫描电镜照片