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1 导论1

1.1 巴克敏斯特富勒烯2

1.2 富勒烯结构碳纳米管3

1.3 单壁和双壁碳纳米管5

1.4 催化生长的碳纳米管6

1.5 谁发现了碳纳米管？7

1.6 碳纳米管的研究8

1.7 本书的内容10

参考文献11

2 合成Ⅰ：电弧、激光蒸发和热处理法14

2.1 多壁碳纳米管的电弧蒸发合成14

2.1.1 早期工作14

2.1.2 电弧蒸发技术：进一步发展16

2.1.3 石墨的替代物18

2.1.4 电弧蒸发法的安全性考虑18

2.2 多壁碳纳米管在电弧中的生长机理19

2.2.1 一般性描述19

2.2.2 气相生长20

2.2.3 液相生长21

2.2.4 固相生长22

2.2.5 结晶模型23

2.3 多壁碳纳米管的高温热处理合成24

2.4 单壁碳纳米管的电弧蒸发合成27

2.5 单壁碳纳米管的激光蒸发合成30

2.6 单壁碳纳米管在电弧和激光蒸发中的生长机理31

2.6.1 气液-固模型32

2.6.2 固-固模型34

2.7 双壁碳纳米管的电弧蒸发合成36

2.8 讨论37

参考文献38

3 合成Ⅱ：催化化学气相沉积及其相关的方法43

3.1 多壁碳纳米管的催化合成：1991年前的工作44

3.2 多壁碳纳米管的催化合成：1991年后的工作46

3.2.1 在基底上生长多壁碳纳米管阵列48

3.2.2 纳米管的直接纺纱51

3.3 多壁碳纳米管的催化生长机理52

3.4 单壁碳纳米管的催化合成55

3.4.1 生长单壁碳纳米管所需的条件55

3.4.2 大规模催化合成单壁碳纳米管58

3.4.3 单壁碳纳米管纤维的制备59

3.4.4 单壁碳纳米管的定向生长61

3.4.5 单壁碳纳米管的结构控制制备63

3.5 催化生长单壁碳纳米管的形成机理65

3.5.1 气-液-固机理65

3.5.2 化学气相沉积生长的固相机理？66

3.6 双壁碳纳米管的催化合成68

3.7 多壁碳纳米管的电化学合成70

3.8 通过热处理金属掺杂碳制备多壁碳纳米管70

3.9 讨论71

参考文献72

4 纯化和处理80

4.1 多壁碳纳米管的纯化80

4.1.1 电弧蒸发所得多壁碳纳米管80

4.1.2 催化所得多壁碳纳米管81

4.2 单壁碳纳米管的纯化83

4.2.1 酸处理和氧化83

4.2.2 功能化85

4.2.3 物理技术85

4.2.4 评估纯度86

4.3 多壁碳纳米管的处理86

4.3.1 多壁碳纳米管的分散和聚集86

4.3.2 多壁碳纳米管的取向排列87

4.3.3 纯多壁碳纳米管纺纱89

4.3.4 多壁碳纳米管薄膜91

4.3.5 多壁碳纳米管的断裂和剪切91

4.4 单壁碳纳米管的处理92

4.4.1 单壁碳纳米管的取向排列和组装92

4.4.2 纯单壁碳纳米管纺纱95

4.4.3 单壁碳纳米管薄膜96

4.4.4 单壁碳纳米管的长度控制98

4.5 金属型和半导体型单壁碳纳米管的分离99

4.5.1 选择性消除法99

4.5.2 介电电泳法100

4.5.3 选择性功能化法100

4.6 讨论101

参考文献102

5 结构107

5.1 碳材料的化学键107

5.2 碳纳米管的结构：理论讨论109

5.2.1 碳纳米管的矢量标记109

5.2.2 纳米管的单胞110

5.2.3 纳米管的对称性分类112

5.2.4 六边形格位中的缺陷114

5.2.5 多壁碳纳米管中的层结构116

5.2.6 纳米管封口的理论118

5.3 实验研究：电弧蒸发所得多壁碳纳米管121

5.3.1 层结构：实验观察121

5.3.2 多壁碳纳米管的电子衍射124

5.3.3 多壁碳纳米管的横截面形状124

5.3.4 多壁碳纳米管的封口结构126

5.3.5 关节状连接和分叉结构127

5.4 实验研究：催化法所得多壁碳纳米管130

5.5 实验研究：单壁碳纳米管132

5.5.1 一般特征132

5.5.2 单壁碳纳米管的电子衍射133

5.5.3 单壁碳纳米管的高分辨透射电子显微镜分析136

5.5.4 单壁碳纳米管的扫描隧道显微镜分析137

5.6 中子衍射140

5.7 讨论140

参考文献141

6 物理性质Ⅰ：电子学146

6.1 石墨的电学性质146

6.2 纳米管的电学性质：理论148

6.2.1 单壁管的能带结构148

6.2.2 管壁弯曲和管间作用的影响151

6.2.3 纳米管中的电子输运152

6.2.4 磁场的影响153

6.3 碳纳米管的电学性质：实验测量155

6.3.1 有关多壁碳纳米管的早期研究155

6.3.2 单壁碳纳米管的结构与电学性质的关系156

6.3.3 量子电导159

6.3.4 纳米管在磁场中的电学性质163

6.3.5 超导电性164

6.4 纳米电子器件164

6.4.1 二极管164

6.4.2 场效应晶体管166

6.4.3 逻辑电路167

6.5 纳米管的磁学性质168

6.6 纳米场发射器170

6.7 结论172

参考文献173

7 物理性质Ⅱ：力学、光学、热179

7.1 碳纳米管的力学性能179

7.1.1 理论预测179

7.1.2 实验测试：多壁碳纳米管182

7.1.3 实验测试：单壁碳纳米管188

7.2 碳纳米管的光学性质188

7.2.1 吸收光谱189

7.2.2 荧光光谱190

7.3 拉曼光谱192

7.4 纳米管的热导性质196

7.5 纳米管的物理稳定性187

7.6 讨论198

参考文献199

8 纳米管的化学和生物学204

8.1 共价功能化204

8.1.1 管端和缺陷功能化205

8.1.2 管壁功能化206

8.2 非共价功能化211

8.3 化学功能化纳米管的表征214

8.4 生物功能化214

8.4.1 蛋白质214

8.4.2 核酸217

8.5 碳纳米管的毒性218

8.6 讨论220

参考文献220

9 碳纳米管复合物227

9.1 碳纳米管／高分子复合物的制备227

9.1.1 溶液混合法227

9.1.2 熔融法229

9.1.3 原位聚合法230

9.1.4 纳米管对聚合物结构的影响231

9.2 碳纳米管／高分子复合物的性质232

9.2.1 机械性能232

9.2.2 电学性质235

9.3 碳纳米管／陶瓷复合物237

9.4 碳纳米管／碳复合物239

9.5 碳纳米管／金属复合物239

9.6 讨论240

参考文献241

10 填充及异质纳米管247

10.1 电弧蒸发填充247

10.2 多壁碳纳米管的化学法开口和填充248

10.2.1 早期工作248

10.2.2 酸处理开口249

10.2.3 开口管的填充251

10.3 催化生长多壁管的填充252

10.4 多壁管中的水255

10.5 单壁和双壁碳纳米管的填充255

10.5.1 填充无机材料255

10.5.2 填充富勒烯：“纳米豆荚”257

10.6 纳米管中的气体263

10.6.1 氢气263

10.6.2 其他气体264

10.7 异质纳米管265

10.3.1 硼-碳氮管265

10.3.2 碳-氮管267

10.3.3 碳-硼管267

10.8 讨论268

参考文献269

11 探针和传感器275

11.1 用于原子力显微镜的纳米管探针275

11.1.1 纳米管探针的制备：机械装配275

11.1.2 纳米管探针的制备：化学气相沉积277

11.1.3 使用纳米管探针的原子力显微镜图像278

11.2 气体传感器280

11.3 生物传感器282

11.4 物理传感器283

11.5 讨论285

参考文献285

12 总结289

12.1 碳纳米管研究要点289

12.2 最后的感想292

参考文献293

姓名索引296

主题索引299