第2章　碳纳米管的结构特征

丛洪涛

中国科学院金属研究所

根据构成碳纳米管管壁的石墨烯片层数，可将其分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。其中单壁碳纳米管的管壁仅由一层石墨烯构成，直径一般为1～3nm，直径大于3nm时，单壁碳纳米管的稳定性较差[1,2]；而多壁碳纳米管包含两层以上石墨烯片层，片层间距为0.34～0.40nm。通过对石墨烯片层映射过程的分析，可得到碳纳米管的对称性以及对称群，用区域折叠模型（zone folding model）可以推导出其电子结构特征和声子振动模式[3,4]。

电子显微镜是表征碳纳米管结构的重要手段。通过高分辨电子显微镜观察，可揭示单壁碳纳米管的直径和多壁碳纳米管的层状结构，结合电子衍射分析，可同时得到碳纳米管的螺旋结构信息；而原子分辨率扫描隧道电子显微镜可直接揭示碳纳米管中碳原子的位置、排布情况以及螺旋结构，结合扫描隧道谱可获得碳纳米管中碳原子的电子状态；原子力显微镜不仅可观察碳纳米管的表面结构，还可通过针尖和碳纳米管的相互作用，对碳纳米管进行操控。碳纳米管已经在探针型显微镜中得到实际应用，即制成碳纳米管探针。

尽管通过电子显微镜可以直接观察到单根碳纳米管的微观结构，但是其操作过程复杂、耗时，且只能得到少量碳纳米管的微观结构信息。光谱技术由于可有效、便捷地辨别碳纳米管的直径和手性而被普遍应用于碳纳米管研究；用于表征碳纳米管结构的光谱学技术主要有激光拉曼光谱、吸收光谱和发射光谱等。目前，碳纳米管的结构表征主要是采用电子显微技术和光学光谱技术相结合的方法。

本章首先阐述碳纳米管的基本结构以及由石墨烯片层映射成碳纳米管的过程，根据映射过程得到碳纳米管的结构参数；随后介绍单壁碳纳米管的几何结构和电子结构；最后介绍利用电子显微技术和光学光谱技术获取碳纳米管的结构信息。