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