奈米碳管

1. 奈米碳管 • 起源 早在1985年Kroto等人即意外發現C60 的存 在而提出了足球模型（1），此發現對碳化合物的研 究有著重大突破，但當時對於C60的特性及其應用 發展並不清楚。直到1991年Iijima（2）提出奈米碳 管的概念後，才促使相關單位朝此領域進行積極的 研究與開發。

2. 奈米碳管不論在物性、化性或材料特性上均著 顯著非凡的表現，例如：在電性上，不同管徑及形態的奈米碳管可具有金屬導體或半導體的特性，且奈米碳管具有極佳的機械性質與良好的氣體儲存特性。 由於奈米碳管具有多重的特殊性質因此成為21世紀的關鍵材料之一。

3. 含有碳元素的化合物幾乎是自然界中所有化合物含有碳元素的化合物幾乎是自然界中所有化合物 總和之最，早在1970年末期，化學家即對製備碳團 簇產生了濃厚的興趣，至今大約有五百萬種的含 化合物被合成與鑑定出來。

4. 碳是元素週期表IV族中最輕的元素，共有四個電子可供與碳是元素週期表IV族中最輕的元素，共有四個電子可供與 其他元素進行鍵結，相較於其同族其他元素有其獨特的性 質，固態碳元素在結構方面會因鍵結方式與構造型態的不 同而形成同素異形體，含碳元素的同素異形體基本上可分為三種不同的型態：（1）石墨；（2）鑽 石；（3）C60。其中，石墨是碳原子以sp2的共價鍵鍵結 而成的二維層狀結構的半金屬，層與層間約距0.3354nm； 鑽石則是碳原子以sp3的鍵結形式構成的三維立體結構的 材料；C60則為二十個六圓環與十二個五圓環以sp2 的鍵 結形式所組合而成似足球的結構。早在1940年代，電氣爐 邊就曾被發現有直徑達數奈米長度為數微米具管狀結構的 碳細絲存在，但其數量非常之少，可惜當時並沒有被重 視。直至1991年以電弧放電法製備C60時偶然發現碳管的 存在

5. 奈米碳管結構 奈米碳管是一具有奈米級直徑與長寬高比的石墨管。 碳管內徑可從0.4nm ~數十nm，碳管外徑則由 1nm~數百nm，長度則由數微米至數十微米間， 可由單層或多層的石墨層捲曲形成中空管柱狀結 構，然而碳管的特性決定於石墨層的寬度與捲曲 的方向，不同的捲曲方向可以表現出碳管金屬、 半金屬、半導體等特性，依碳管捲曲方向的不 同，可將奈米碳管的形態區分為三類，因不同捲 曲方式所造成的 。

6. 碳管螺旋性，會使管壁上的六圓環有不同的扭曲程碳管螺旋性，會使管壁上的六圓環有不同的扭曲程 度，而造成六圓環上未飽和雙鍵間電子傳導的阻 力，因此不同的螺旋性造成了奈米碳管間導電性質 的差異；全由碳原子所組成的奈米碳管只因結晶結 構細微的差異便有導體與半導體之不同，因此也隸 屬奈米半導體材料的研究範疇而成為炙手可熱的半 導體研究題材。在奈米材料裡，奈米碳管(見圖一) 是最知名的一種奈米材料。奈米碳管的中空結構是 第三種純碳結構，此種中空結構稱之為『碳簇』。 第一種純碳結構是石墨結構，第二種是鑽石結構。

7. ← 奈米碳管 (1.) 扶椅型 (2.)鋸齒型(3.)螺旋型

8. 奈米碳管新製法 • 奈米碳管新製法日本JFCC(精密陶瓷中心)與東海Carbon公司共同開發奈米碳管的新製法。而且已經確認可以量產的是能使半導體性能大幅提昇的「鋸齒」型奈米碳管。利用新製法製造的奈米碳管，其直徑為3nm、長度為1μm程度的奈米管束；所使用的材料為碳化矽。在接近真空狀態下照射雷射，加熱至1600℃左右，在材料的表面形成薄薄的奈米管層。經過加熱方法及空氣濃度的改良，成功精製出均質的奈米管。

9. 奈米碳管的合成 奈米碳管的微結構對其本身的物性、化性 與應用上有極大的影響，故不同的合成方 法與合成條件將會產生不同微結構的奈米 碳管。在介紹碳管合成方法之前我們必須 了解奈米碳管的生長機制。

10. 奈米碳管的應用 • 由於奈米碳管的彈性極高，其張力強度比鋼絲強上百倍，但重量卻極輕，且兼具金屬的性質與半導體的性質，故奈米碳管的應用範極廣，可以用作電路中的連接件、可以用作電路開關、可用在平面顯示器等。 • 預期在五年至十年內，奈米碳管電池也將開發出來，奈米碳管具有極高儲存電力，但極輕的重量，可改善現有電池所有的缺點，如同電池工業的一場革命，未來對電動汽車工業極有幫助。

11. 以矽為材料的微米級電子電路技術將走到盡頭，奈米碳管將成為替代矽和其他半導體材料的最佳材料，可以開發出比現有傳輸速度與密度高五十倍至一百倍，且省電效益高五十倍至一百倍的電子設備。以矽為材料的微米級電子電路技術將走到盡頭，奈米碳管將成為替代矽和其他半導體材料的最佳材料，可以開發出比現有傳輸速度與密度高五十倍至一百倍，且省電效益高五十倍至一百倍的電子設備。 如果奈米碳管生產成本降到每公克三十三美元，且年產量可達一噸，將可供應產值達數十億美元的電腦及電視顯示器。如果價格降到每公克二十二美元，則更多產業都能運用奈米碳管，例如可做雷達無法偵測的隱形飛機的機殼。如果降到四．四美元，則可運用於一般日常生活用品，例如手機、筆記型電腦、PDA的螢幕。

12. 結論 • 由於碳奈米管具有高強度(例如機械強度比鋼強上數十倍)、高韌性、質量輕、可撓曲、高表面積、表面曲度大、高熱傳導度及熱穩定性、導電性特異等特性；因此在其未來應用上，可說是種蘊藏無限可能的夢幻材料。

13. 目前大量製造高純度及高均勻性碳奈米管仍具相當難度，使得目前碳奈米管的價格與品質差異極大(純度高、品質穩定的CNT，其價格大約是每公克數百美元以上，約是黃金價格的數十倍)，因此目前其產業應用性仍受限制。碳奈米管未來是否能成功的應用在材料、化工、顯示器及其相關產業，實需仰仗經濟且純度高、品質穩定的製造合成方法。目前大量製造高純度及高均勻性碳奈米管仍具相當難度，使得目前碳奈米管的價格與品質差異極大(純度高、品質穩定的CNT，其價格大約是每公克數百美元以上，約是黃金價格的數十倍)，因此目前其產業應用性仍受限制。碳奈米管未來是否能成功的應用在材料、化工、顯示器及其相關產業，實需仰仗經濟且純度高、品質穩定的製造合成方法。

14. 心得 • 我覺得奈米碳管的應用非常廣闊，而且它具有高強度、高韌性，可以廣泛的應用，而且還能儲純極高的電力，應用於電池，改善缺點等。讓我也多加認識了奈米碳管的結構，和製作方法。