第2章　碳納米管的結構特征

叢洪濤

中國科學院金屬研究所

根據構成碳納米管管壁的石墨烯片層數，可將其分為單壁碳納米管和多壁碳納米管。其中單壁碳納米管的管壁僅由一層石墨烯構成，直徑一般為1～3nm，直徑大于3nm時，單壁碳納米管的穩(wěn)定性較差[1,2]；而多壁碳納米管包含兩層以上石墨烯片層，片層間距為0.34～0.40nm。通過對石墨烯片層映射過程的分析，可得到碳納米管的對稱性以及對稱群，用區(qū)域折疊模型（zone folding model）可以推導出其電子結構特征和聲子振動模式[3,4]。

電子顯微鏡是表征碳納米管結構的重要手段。通過高分辨電子顯微鏡觀察，可揭示單壁碳納米管的直徑和多壁碳納米管的層狀結構，結合電子衍射分析，可同時得到碳納米管的螺旋結構信息；而原子分辨率掃描隧道電子顯微鏡可直接揭示碳納米管中碳原子的位置、排布情況以及螺旋結構，結合掃描隧道譜可獲得碳納米管中碳原子的電子狀態(tài)；原子力顯微鏡不僅可觀察碳納米管的表面結構，還可通過針尖和碳納米管的相互作用，對碳納米管進行操控。碳納米管已經在探針型顯微鏡中得到實際應用，即制成碳納米管探針。

盡管通過電子顯微鏡可以直接觀察到單根碳納米管的微觀結構，但是其操作過程復雜、耗時，且只能得到少量碳納米管的微觀結構信息。光譜技術由于可有效、便捷地辨別碳納米管的直徑和手性而被普遍應用于碳納米管研究；用于表征碳納米管結構的光譜學技術主要有激光拉曼光譜、吸收光譜和發(fā)射光譜等。目前，碳納米管的結構表征主要是采用電子顯微技術和光學光譜技術相結合的方法。

本章首先闡述碳納米管的基本結構以及由石墨烯片層映射成碳納米管的過程，根據映射過程得到碳納米管的結構參數；隨后介紹單壁碳納米管的幾何結構和電子結構；最后介紹利用電子顯微技術和光學光譜技術獲取碳納米管的結構信息。