副組長

財團法人國家實驗研究院

國家高速網路與計算中心

南部事業群

科學計算應用組

奈米物質之簡介、模型之建立與應用Jian-Ming Lu, rockylu@nchc.narl.org.tw

-1-

盧建銘

National Center for High-Performance ComputingSouthern Business Unit

Thermal Vibration

奈米科技的來臨

photosynthesis.com

www.tainano.com

www.iap.tuwien.ac.at

2011/1/21 2

Dr. Eigler

(1989)

Prof. Richard P. Feynman

(1959)

C60 (Fullerene)

http://cyc.hkcampus.net

http://www.mpi-stuttgart.mpg.de/andersen/fullerene

http://www.cysh.cy.edu.tw/subject/chem/

http://www.astrosurf.org

截角正二十面體

正二十面體

1967年加拿大蒙特婁世界博覽會上的美國館，

建築物高60公尺。

Kroto et al.(1985)

32011/1/21

奈米碳管的介紹碳的同素異構體(Allotrope)

石墨(Graphite)-sp2

金剛石(Diamond)-sp3

富勒碳(Fullerene)- 碳簇(Carbon cluster)

• 奈米碳管(Nanotube)

http://www.si.edu

Diamond

http://www.museum.kyushu-u.ac.jp/

http://cohesion.rice.edu/naturalsciences/smalley

石墨

2011/1/21 4

2-dimensional hexagonal lattice of carbon

sp2 hybridized carbon atoms

Basis for C-60 (bucky balls), nanotubes, and graphite

Among strongest bonds in nature

What is graphene?

A. K. Geim & K. S. Novoselov. The rise of graphene. Nature Materials Vol 6 183-191 (March 2007)2011/1/21 5

奈米碳管的介紹(cont.) 碳的同素異構體(Allotrope)

石墨(Graphite)-sp2

金剛石(Diamond)-sp3

富勒碳(Fullerene)- 碳簇(carbon cluster)

• 奈米碳管(Nanotube)– 單壁奈米碳管(SWNT)– 雙壁奈米碳管(DWNT)– 多壁奈米碳管(MWNT)

• 奈米碳環(Toroid)

• 碳奈米線(屬sp混成軌域，為直線性構造) • 碳奈米彈簧(nanocoil)• 碳奈米豆莢(nanopeapod)• 碳奈米錐(nanocone)• 碳奈米角(nanohorn)• 樹狀碳微米結構(microtree)• 碳奈米滴管(carbon nanopipet) • 奈米泡沫(nanofoam)• 碳奈米洋蔥(Carbon onions) • 藍氏石(lonsdaleite)• 趙氏石(chaoite)• 舒氏石(schwarzite)• 碳絲(filamentous carbon)• 碳氣凝膠(carbon aerogel)• 非晶碳(amorphous)• …….

http://www.uni-ulm.de/

elektronenmikroskopie/SWNT.jpg

SWNT Bundle

DWNT

2011/1/21 6

奈米碳管的介紹(cont.)

碳的同素異構體(Allotrope) 碳簇(carbon cluster)

• 奈米碳管(Nanotube)– 單壁奈米碳管(SWNT)– 雙壁奈米碳管(DWNT)– 多壁奈米碳管(MWNT)

http://www.seas.upenn.edu/nanotechfacility

http://www.tmcnanotech.com/tmcnanotech

http://www.membres.lycos.fr/gbister/Nanotubes/

http://www.thomas-swan.co.uk

SWNT

+La2C80

DWNT bundle

MWNT

MWNT

http://members.

cox.net/hongweizhu/

bridge/p1.htm

SWNTs

72011/1/21

製造及純化方法

電弧放電法(Arc Method)

http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/2011/1/21 8

製造及純化方法(cont.)

雷射蒸發法(Laser Vaporization)

http://nano.mtu.edu

http://www.ornl.gov/~odg/NanoscienceDay2011/1/21 9

製造及純化方法(cont.)

化學汽相沉積法(Chemical Vapor Deposition)

Thermal CVD

MPECVD (Microwave Plasma Enhance CVD)

ECRCVD (Electro Cycroton Resonance CVD)

http://w3.kunsan.ac.kr/~semicon/researchhttp://www.vaclong.com/2011/1/21 10

奈米碳管的結構

21amanC

h

nmmn

mn

aC

aC

h

h

22

1

1

2

2

||||cos

300

n、m為正整數

2011/1/21 11

奈米碳管的結構(cont.)

Rx=n a1+m a2Ry=p a1+q a2

bnmn

nmnmbx

)]2/(3[tan angle chiral

2/)(32

radius

1

22

R

armchair

(n,n)

a1

a2

2011/1/21 12

奈米碳管的結構(cont.)

RX=n a1+m a2RY=p a1+q a2

cut cut

二維石墨層

手椅狀(n,n)奈米碳管

鋸齒狀(n,0) 奈米碳管2011/1/21 13

奈米碳管的結構(cont.)

http://atom.physics.metu.edu.tw/nano/2011/1/21 14

奈米碳管的電性

Three types of finite CNTs Conducting

I.(n,m) chiral:

metal

/semiconductor

II.(n,0) zigazg:

metal

/semiconductor

III.(n,n) armchair:

metal

2011/1/21 15

奈米碳管的電性(cont.)

2

type I: m n (armchair)

metal; 0

type II: 2 3 integer; m n

narrow-gap semiconductor; cos3 /

type III: 2 3

Three types of ( , ) carbon nanotubes:

g

g

E

m n

E r

m n

m n

integer

moderate-gap semiconductor; 1/ g

E r

2011/1/21 16

奈米碳管的電性(cont.)

O金屬

半導體

n ≠m、(n>m)

n,m≠0

n-m=3i(i為整數)

n-m≠3i

Chiral

tube

O金屬

半導體

m=0

n=3i(i為整數)

n≠3i

Zigazg

tube

O金屬n=mArmchair

tube

展開後結構示意圖電子特性

奈米碳管

手性向量

(n,m)

2011/1/21 17

奈米碳管的各種性質物化性質 數量級

內徑 0.4nm ~數十nm

外徑 1nm~數百nm

長度 數微米~數十微米

密度 1.3~1.4 g/cm3 (類似羊毛或棉花)

彈性模數 0.95~5.5 TPa (地球上強度最大)

拉伸強度 13~53 GPa

Poisson ratio 0.15~0.28

熱傳導率 23.2 W/m·K (類似鑽石)

熱穩定度(真空下) ~ 2800℃

熱穩定度(空氣中) ~ 750℃

導電性(金屬性) 5.1×10-6 Ω-cm (類似銅)

導電性(半導體性) 10-3~10-4 Ω-cm (類似鍺)

電阻率 0.34~1.0 μΩ．m

最大電流密度 1013 A/m2

場發射起使電場 0.16~5.6 V/μm

場發射臨界電場 0.2~6.5 V/μm

比電容 5~180 F/g

儲氫率 0.4~14.3 wt%2011/1/21 18

奈米碳管的特性

• 電磁性能

– CNT Field effect transistor

http://pubs.acs.org/cen

http://www.research.ibm.com/nanoscience

奈米碳管的特性

• 力學性能

http://www.ipt.arc.nasa.gov/http://www.cheapbats.com/

奈米碳管的特性

• 熱學性能Reedpad/Carbon nanotube interface

http://www.me.upenn.edu

http://academy.gsfc.nasa.gov

奈米碳管的特性

• 光學性能

http://www.itg.uiuc.edu/

Carbon Nanotube Optical Probe

Carbon nanotube polymeric solar cell

http://www.grc.nasa.gov

Min

iatu

re a

eria

ls p

ick

up

lig

ht

http://www.nature.com

奈米碳管的特性

• 吸附性能

Absorption simulation of H2(white) in a (10,10) carbon

nanotube lattice (red)

htt

p:/

/ww

w.n

cnr.

nis

t.g

ov/

http://tainano.com

氫分子吸附於奈米碳管

奈米碳管的特性

• 電化學性能

http://carbon.imr.ac.cn/researchf

http://electrochem.cwru.edu/ed/encycl

http://carbon.imr.ac.cn/researchf

奈米碳管複合材料

http://carbon.imr.ac.cn/photo/d.gif

http://www.hawkinsport.co.uk/

http://www.doitpoms.ac.uk

http://www.nas.nasa.gov

carbon nanotube-polymer composite

http://images.google.com.tw/imgres?imgurl=http://www.doitpoms.ac.uk/miclib/micrographs/small/000564.jpg&imgrefurl=http://www.doitpoms.ac.uk/miclib/keywords.php%3Fid%3D213&h=100&w=100&sz=8&tbnid=KJttOLqzbIkJ:&tbnh=77&tbnw=77&hl=zh-TW&start=9&prev=/images%3Fq%3Dcarbon%2Bnanotube%2Bcomposition%26svnum%3D10%26hl%3Dzh-TW%26lr%3D

奈米碳管的應用(Cont.)

http://www.ahwahneetech.com/

• Batteries

• Biosensors for harmful gases and chemical analyses

• Capacitors

• Cathodes for microwave tubes

• Chemical factory-on-a-chip applications

• Computers and TVs (with nano circuits)

• Conducting composites

• Conductors for micro electronic devices

• Controlled drug release applications

• DNA chips

• Electronic applications

• Electronic rectification, ballistic switching, and logic functions

• Electronic nanocomponents and material protection applications

• Field effect transistors

• Field-emission flat panel displays

• Filter applications

• Fuel cell membranes

• Heat pipe

• Hydrogen storage

• LEDs

• Microscope probes

• Molecular pumps

• Nanometric test tubes

• Nanotube reinforced composites

• Nano-data storage

• Quantum wires

• Single electron transistors

• Sporting goods

• Water desalinators

• Wireless devices

奈米碳管的應用(cont.)

尺度範圍 領域 應用

奈米技術

奈米製造技術掃描探針顯微鏡(SPM)的探針、奈米類材料的模板、奈米泵、奈米管道、奈米鉗、奈米齒輪和奈米機械的元件等

電子材料和元件奈米電晶體、奈米導線、分子級開關、記憶體、微電池電極、微波增幅器

生物技術 注射器、生物感測器

醫藥 膠囊(藥物包在其中並在有機體內輸運及放出)

化學 奈米化學、奈米反應器、化學感測器等

巨觀材料

複合材料增強樹脂、金屬、陶瓷和炭的複合材料、導電性複合材料、電磁遮罩材料，吸波材料等

電極材料 電雙層電容(超級電容)、鋰離子電池電極等

電子源 場發射型電子源、平板顯示器、高壓螢光燈

能源 氣態或電化學儲氫的材料

化學 催化劑及其載體、有機化學原料

2011/1/21 27

奈米碳管的參考文獻

• 奈米碳管, 成會明編著, 五南圖書, 2004.

• 碳纳米管, 朱宏传 等着, 机械工业出版社, 2003.

• 奈米碳管科技, 許明發等著, 國興出版社, 2004.

• 碳奈米管專利地圖及分析 ,麥富德等著,科資中心,2002.

• Carbon nanotubes, Morinubo Endo et al., Oxford,

1996.

• Physical Properties of Carbon Nanotubes, R. Saito et

al., Imperial College Press, 1998.

• The Science and Technology of Carbon Nanotubes,

Kazuyoshi Tanaka et al., Elsevier, 1999.

奈米碳管的潛在應用(Cont.)

http://www.shimadzu.co.jp

Thanks for your attentions