《全碳一維周期異構納米材料及其性能與相關理論研究》是依託武漢大學，由潘春旭擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：全碳一維周期異構納米材料及其性能與相關理論研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：潘春旭
- 依託單位：武漢大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
多組分多結構一維納米材料具有特殊的物理性能，廣受關注。碳具有多種同素異構體，它們的功函式隨晶態程度或碳鍵雜化軌道不同而發生變化。研究具有不同功函式的全碳一維周期異構納米材料在理論和實驗上都有重要意義。.與常用的氣相法和微操作法不同，本項目提出了新的製備全碳一維周期異構納米材料的方法：（1）通過施加交變電場或磁場，獲得具有不同周期寬度的有序－無序－有序－無序……碳納米管；（2）利用放電等離子燒結，獲得具有不同晶態長度的晶態－非晶態－晶態碳納米纖維。該方法過程易控制，異構界面連線緊密，並可實現大量製備。探索通過調整實驗參數實現該一維納米材料的可控制備，進而實現對其物理性能的有效調製。.理論上，建立新的微觀原子模型，弄清同質異構結費米能級和能帶結構（禁頻寬度）的影響因素，以及界面態特徵，對該一維納米材料的物理性能進行理論分析和計算，為製作下一代電子和光電子納米器件提供理論基礎。
結題摘要
碳納米材料，特別是具有不同結構的全碳一維異構納米材料，具有特殊的物理和化學性能，在下一代微納電子和光電子器件方面有著廣闊套用前景。然而，其形貌、方向和結構等的有效可控制備是其實現套用的關鍵，也是國際上的研究熱點。本項目圍繞一維碳納米材料的可控生長這一關鍵科學問題，提出了具有我們自己特色的利用電場、磁場和放電等離子燒結（SPS）等對一維碳納米材料進行控制生長的方法和技術，並對其製備工藝、生長機理、微結構特徵、性能和套用等進行了系統研究，取得了一些創新性成果，以期為納米器件製作提供理論基礎。主要研究內容和創新性成果如下： 1、施加大電壓（300V）獲得了一種新型的全碳一維異質結構，稱為“奶牛乳房狀微/納米碳同質異構結構”。這種複合結構高度為90-250 nm，由下部為大直徑碳球（30-120 nm）和上部為小直徑碳納米管（CNTs）（10-40 nm）組成。 2、施加強磁場（0.5~1T）實現對一維碳納米材料可控生長與微結構調控。一般研究所用的磁場較小（中心磁場小於0.01T）。我們發現：（1）施加強磁場後，原來無序生長的CNFs轉變為沿磁場方向陣列生長，改變磁場方向，陣列生長順序發生變化；（2）強磁場能夠減小和均勻化CNFs直徑；（3）隨著磁場強度增大，CNFs結晶度增加，並轉變為“竹節狀”CNTs有序結構。 3、利用SPS系統研究了“實心”無序CNFs的高溫轉變及其同質異構結特性。主要進展有：（1）發現CNFs在1000℃左右就開始從非晶結構→晶態結構的石墨化轉變；（2）製備出了具有“晶態－非晶態”微結構特徵的一維碳納米同質異構結；（3）這種單根碳納米同質異構結的電輸運性能具有整流效應；（4）模擬計算得到了CNFs的費米能級及同質異構結的導電機制。（5）SPS處理CNFs，在低溫低壓（1500℃和1個大氣壓）製備出了納米金剛石顆粒，轉變機理為：CNFs→晶化的CNFs→彎曲的石墨層→碳納米洋蔥→納米金剛石。 4、開發了一種利用SPS熱壓處理製備高質量石墨烯的新方法。該方法成本低，簡單有效，並能實現大規模生產。 5、提出了“基於石墨烯應變效應的納米電源”概念。研究顯示單層石墨烯5%的形變數即可產生8mV左右的電勢差。輸出電壓電流的大小可以進行放大和調控。在感測器和替代能源方面有潛在的套用前景。 6、開展碳納米材料性能與套用等方面系列研究：鋰離子電池、超級電容器、光催化等。
