納米碳管的掃描隧道顯微鏡（STM）研究

高聚寧　楊海強(qiáng)　劉　寧　時(shí)東霞　江月山　薛增泉　龐世謹(jǐn)

（中科院北京真空物理開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，北京 100080）

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摘要

本文應(yīng)用掃描隧道顯微鏡對(duì)弧光放電方法得到的納米碳管進(jìn)行了觀察?；」夥烹姺ㄋa(chǎn)生的納米碳管以直線(xiàn)型為主，并且多以束狀存在。碳管束直徑約20nm，而單根碳管的直徑大多在2nm到5nm之間。觀察到單層碳管的原子像，其表面為石墨網(wǎng)格的六角結(jié)構(gòu)。納米碳管的原子像及單根碳管表面均未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷存在，這可能是它具有很高強(qiáng)度質(zhì)量比的主要原因之一。

　

關(guān)鍵詞

掃描隧道顯微鏡（STM） 碳管　原子結(jié)構(gòu)

自從1991年Iijima首次報(bào)導(dǎo)了納米碳管的存在以來(lái)[1]，圍繞納米碳管的理論及實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)久不衰。納米碳管是由石墨單層繞同軸纏繞而成或由單層石墨圓筒沿同軸層層套構(gòu)而成，其直徑一般在一到幾十個(gè)納米之間，而長(zhǎng)度可達(dá)幾個(gè)微米。由于納米碳管的直徑處于納米數(shù)量級(jí)，電子在其中的運(yùn)動(dòng)受到量子效應(yīng)的限制，所以它具有一維量子線(xiàn)的作用。納米碳管的能帶結(jié)構(gòu)和它自身的結(jié)構(gòu)有著密切的關(guān)系[2,3]，當(dāng)納米碳管的直徑和螺距變化時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)能夠從金屬的能帶結(jié)構(gòu)過(guò)渡到半導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)。這些效應(yīng)在電子學(xué)上具有重要的應(yīng)用前景。同時(shí)納米碳管還有很高的強(qiáng)度質(zhì)量比[4]，使它在高強(qiáng)度復(fù)合材料中有著廣闊的應(yīng)用。因此對(duì)納米碳管的研究引起廣大科研工作者的關(guān)注。本文應(yīng)用掃描隧道顯微鏡（STM）對(duì)納米碳管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，此研究對(duì)進(jìn)一步了解納米碳管的力學(xué)行為和電學(xué)行為具有重要的意義。

實(shí)驗(yàn)所采用的納米碳管是用一般的弧光放電的方法得到的。這樣得到的納米碳管含有很多納米顆粒，品必需先經(jīng)過(guò)一定比例的氫、氮混合氣體處理，純以除去納米顆粒才能得到較純的納米碳管，后把樣品研磨成碎末，入少量酒精，取含有納米碳管的酒精懸濁液滴在高定向裂解石墨（HOPG）上進(jìn)行觀察。實(shí)驗(yàn)中所用的掃描隧道顯微鏡為化學(xué)所生產(chǎn)的CSTM-9000，實(shí)驗(yàn)是在大氣，室溫條件下進(jìn)行的。

圖1　單根納米碳管的表面形貌圖

圖2　碳管束的表面形貌圖

首先對(duì)納米碳管的表面形貌進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)弧光放電所得到的納米碳管基本上以直線(xiàn)型為主，并且多以束狀存在。圖1為納米碳管的表面形貌，其掃描模式為恒流模式，掃描范圍為150nm×150nm，所用的電壓31mV，電流為1.22nA。圖中碳管交錯(cuò)分布，直徑從2nm到5nm不等。在圖上還可以看到許多納米顆粒，這可能是在納米碳管純化過(guò)程中殘余下來(lái)的。圖2為用恒流模式得到的納米碳管束的形貌圖。掃描范圍為80nm×80nm，所用的電壓74mV，電流為1.17nA。從圖中可以看到碳管束的直徑約為20nm，其表層由5根平行的單根碳管構(gòu)成，單根納米碳管的直徑約為5個(gè)納米，其長(zhǎng)度超過(guò)100nm。由于中間兩根較高從而在圖中表現(xiàn)較亮。每根碳管的直徑都很均勻，在碳管上也沒(méi)有觀察到任何微缺陷，再加上范德瓦爾斯力使單根碳管聚集成束[5]，使其強(qiáng)度大大提高，這可能就是納米碳管有很高強(qiáng)度質(zhì)量比的主要原因之一。圖3給出了納米碳管的原子結(jié)構(gòu)，掃描模式為恒高模式，掃描范圍為1.9nm×2.5nm，所用的電壓47mV，電流為1.30nA。此圖給出了處于一束碳管中的單根碳管的原子結(jié)構(gòu)。從圖中可以看到組成此一碳管表層的5列原子鏈，碳管直徑為0.78nm，這與單層碳管的直徑非常接近。5根原子鏈的中間一根較其它鏈稍亮，顯示此5根原子鏈組成管狀結(jié)構(gòu)。由于投影的關(guān)系，最邊上的兩根鏈間距較中間鏈的間距要小，其鏈與鏈間的原子可組成類(lèi)似于石墨的六角結(jié)構(gòu)。在此單層碳管的右上角及左下角，分別與此碳管并排著一根碳管，它們也都顯示出石墨網(wǎng)格的六角結(jié)構(gòu)。碳管與碳管之間存在著空隙（比碳管內(nèi)的鏈間距要大得多），這之間是由范德瓦爾斯力所維系的。

圖3　納米碳管的原子結(jié)構(gòu)圖

綜上所述，納米碳管可以以單根碳管或碳管束的形式存在，碳管的直徑大多在2nm到5nm之間。觀察到碳管的原子像，其表面都顯示出石墨網(wǎng)格的六角結(jié)構(gòu)。在其原子像及單根碳管的表面均未發(fā)現(xiàn)明顯的缺陷存在，這可能是納米碳管有高強(qiáng)度質(zhì)量比的主要原因之一。

致謝　感謝北京大學(xué)物理系馮孫齊教授提供的樣品。

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參考文獻(xiàn)

[1] ?Iijima S. Nature, 1991, 354∶56.

[2] ?Hamada N, Sawada Sand Oshivama A. Phys. Rev. Lett., 1992, 68∶1579.

[3] ?Mintmire J W, Dunlap B I and White D C. Phys. Rev. Lett., 1992, 68∶631.

[4] ?Dresselhaus M S. Nature, 1992, 358∶195.

[5] ?Song S N. Phys. Rev. Lett., 1994, 72∶697.

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Study on Carbon Nano tubes by STM

Gao Juning，Yang Haiqiang，Liu Ning，Shi Dongxia，Jiang Yueshan，Xue Zengquan，Pang Shijin

(Beijing Laboratory of Vaccum Physics, Chinese Academy of Science, Beijing 100080)

Abstract

A study of morphology and microstructure of nano tubes was carried out by STM. The nano tubes prepared by arc-discharge was exist as bundles in the majority. The diameter of the bundles is about 20nm, which include several nano tubes. By atomic resolution images the hexagon atomic configurations may be identified.

Keywords

STM，carbon nano tubes，atomic structure