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奈米:奈米 (nanometer)是一個長度的單位。1奈米 = 十億分之1米(10-9 meter)，約為分子或DNA的大小，或是頭髮寬度的十萬分之一。 |
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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，如圖二所示。所形成的中空管柱狀結構主要可分為單層（Single-Wall）碳管與多層（Multi-Wall）碳管兩類。 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。 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。 利用散佈於基板中的催化劑金屬微粒作為碳管生長的起源，將碳氫化合物或石墨棒經高溫熱裂解後，沉積在催化劑金屬微粒根基底部，氣化後的碳源不斷的往催化劑底部沉積且慢慢將金屬微粒往上推。直到碳源中斷或催化劑失去活性後即停止生長。以下就常見的幾種奈米碳管的合成做一簡略的介紹： 1.電弧放電法（Arc-discharge） 電弧放電法是Iijima在合成C60時無意中發現碳管所使用的合成方法，亦是最早被使用來合成奈米碳管的製程方法。 此方法主要的基本原理是在陽極碳棒中心添加金屬催化劑（如鐵、鈷、鎳…）後，將整個系統進行抽真空後再通入惰性氣體，接著導入15~30V的驅動電壓及50~130A的電流，然後將陽極等速緩慢靠近陰極，當兩電極距離足夠小時（約1mm），會於兩極間會產生一高溫（約4,000K）的電弧，同時將陽極的碳與催化金屬進行高溫氣化並沉積在陰極石墨棒表面，此時所得的陰極沉積物即有碳管的存在。此研究必須特別注意的是：兩電極距離必須保持一定的適當距離才易生成奈米碳管，否則將會生成大量的奈米碳粒（Carbon Nanoparticles）。由電弧放電法所得到的碳管管徑約在4~30nm間長度約1μm左右，大多為單層的奈米碳管。欲利用電弧法合成多層奈米碳管，則不需在陽極石墨棒中添加金屬催化劑即可。以電弧法合成奈米碳管的操作所需注意的變數主要有反應時的環境、電極材料、電壓大小與電極距離等。 2.雷射氣化法（Laser ablation method）
這個製程方法最早是用來合成C60，由Rice大學R. E. Smalley實驗室所發展。研究製作原理與電弧放電法相似，乃是將石墨靶材置於高溫反應爐中的石英管內（約1,200℃）在氬氣環境下，將高能雷射聚焦後打在石墨靶材上，使石墨靶材表面上的碳氣化，藉由流動的惰性氣體將其帶到高溫爐外水冷銅收集器上。 3.化學氣相沉積法（Chemical vapor deposition） 化學氣相沉積法（CVD）是目前製備單層奈米碳管最有效率的方法，此法可應用於大表面積的生產或擁有多種產物型態的特質。而此法最早是被用來製作碳纖維。反應主要原理乃是將CH4、C2H2、C2H4、C6H6等碳氫化合物的氣體，通入高溫的石英管爐中反應（約1,000∼1,200℃），碳氫化合物的氣體會因高溫而催化分解成碳，吸附在基板催化劑表面而進行沉積成長。由化學氣相沉積法所得到的碳管直徑約25~130nm不等，長度10~60nm以上。此製程方法改善了電弧放電法中碳管太短、低產率、低純度及高製作成本等缺點。 4.太陽能法（Solar energy method） 1993年，法國利用太陽能反應爐，於氦氣環境下氣化石墨來製造碳簇。其原理與雷射氣化法相，主要差別在於石墨靶材上的聚焦來源，是由太陽能取代高能量雷射來聚焦。最佳碳管的成長溫度約在3,000K屬高溫製程。此製程所得的奈米碳管直徑約在1nm~20nm左右，長度目前文獻尚無明確的記載。所得到的產物，含有大量的煤灰、C60、非結晶形的碳與碳微粒，且產率相當低。 5.微波輔助化學氣相沉積法（MPE-CVD Method） 這種製程方法是近年來所發展的新製程，可控制碳管的成長方向且縮短了成長的時間，做法是先將金屬催化劑（Co、Ni…等）鍍在晶片上，厚度約在2~60nm間，再將其放入微波輔助CVD裝置中成長奈米碳管，所採用的氣體為甲烷與氫氣的混合氣體或乙炔與氨氣的混合氣體，反應溫度大約在720~850℃間。氣體流量與催化劑層的厚薄直接影響到碳管的生長，如當催化劑層愈薄時金屬粒徑愈小，所生長得碳管則愈長。圖十二為MPE-CVD的設備示意圖。
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由於奈米碳管有許多新的性質，如質量輕、高強度、高韌性、可撓曲性、高表面積、高熱傳導性、導電度特異等，因此衍生了許多新的應用。奈米碳管亦可應用於電視、個人電腦顯示器，目前已進入試做階段。Sumio. Iijima預估，2005~2010年左右就可製造出省電、厚度僅數公釐的大畫面顯示器。此外，奈米碳管也可作為飛機、太空梭的新複合材料，拿來製造氫汽車燃料電池等，可說是種蘊藏無限可能的夢幻材料。繼矽取代鐵之後，奈米碳管有可能取代矽，成為尖端產業的骨幹材料。CNI預估，奈米碳管市場大餅每年可達1,000億美元。如果價格降到每公克33美元，而且年產量可達1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22美元，則更多產業都能運用，例如可做雷達無法偵測的隱形飛機的機殼。如果降到4.4美元，則可運用於一般日常生活用品，例如作手機、筆記型電腦、PDA的材料，可以防電磁干擾。美國最大創投雜誌《Red Herring》預估，要實現這樣的美夢，看來還要花好幾年時間。到2003年，奈米碳管價格才可能降到每公克5美元。此外，量產技術也有待克服，目前能「量產」的CNI每日也只能製造25公克，年營業額達400萬美元。以下就奈米碳管的應用做一簡單的介紹： 1.場發射顯示器（FED） 奈米碳管優異的電子場發射特性使其在冷場發射源上的應用上具有相當的潛能，場發射顯示器的特點在於反應時間迅速、寬廣的視角、工作溫度範圍大、且具有陰極射線管的色彩，有別於傳統陰極射線管（CRT）因電子發射源體積龐大而顯得笨重，場發射顯示器則是以數百萬根的奈米碳管做為電子發射源直接平鋪在螢幕下方，因此每個畫素（Pixel）皆有個別專屬的電子槍，故螢幕可做的像TFT-LCD一樣薄，但目前因無法在低溫下（< 500℃）基板上長成奈米碳管，而限制其平面顯示器上的應用，大面積成長碳管與使用壽命等問題即須等待克服。 2.場效電晶體（Field-effect transistor） 奈米碳管可視為最細的導線，將其置於兩金電極間即可製做出最小的場效電晶體，因碳管的絕佳導電性與導熱性質也解決了散熱與熱穩定的問題。但是目前測量碳管的電性皆須藉由AFM的探針技巧推移至電極間以便量測，這對於量產上是極大的瓶頸。 3.奈米導線（Nanowire） 金屬型奈米碳管本身即是一種分子導線，但其碳原子微結構強烈的影響碳管的導電度，如碳管的管徑大小與原子排列時的缺陷如六圓環結構中摻雜了五圓環或七圓環等，因此直接使用奈米碳管做為金屬導線目前尚有困難。1991年Kiang et. al.將金屬粒子填充至奈米碳管中形成一奈米導線，所得到之奈米導線其導電性則由填充金屬決定。 4.強化複合材料
因奈米碳管有極佳的抗拉、抗撓曲、高韌性等機械性質，若將其導入高分子製做成具特殊功能性的複合材料並應用於汽車與建築物等，將可強化其原本材料的性質延長使用的壽命。
就燃料電池的發展而言，氫氣的儲存一直是一個需要突破的瓶頸。目前儲氫的方法有液化氫、壓縮氫、金屬氰化物及活性碳等方法。但上述技術有缺點以致無法用於商業用途，而中空的多層奈米碳管可將氣體凝結成液體而存於管中，這將使碳管的氣體吸附量大幅增加且單層奈米碳管吸附氫氣的能力遠遠超過活性碳，故若能將奈米碳管有效的應用於燃料電池中，將會是燃料電池的一大突破。 1998年Wong et.
al.嘗試以奈米碳管做為原子力顯微鏡（Atomic Force Microscope，AFM）探針頭的開發，奈米碳管不論是強度、撓曲度、韌性及導電性皆優於以矽為基礎的探針頭。
目前奈米探管探針的顯微鏡由於量產困難，且奈米探管探針在大氣中亦容易氧化斷裂故壽命受限。
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