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第1章 碳及碳纳米管概述 1

1.1 碳的广泛性、特殊性及多样性 2

1.1.1 碳的广泛性 2

1.1.2 碳的特殊性 5

1.1.3 碳的同素异形体 9

1.2 碳纳米管的发现 14

1.2.1 碳纳米管的发现过程 14

1.2.2 碳纳米管的合成方法 17

1.3 碳纳米管的特性、应用前景及发展方向 21

1.3.1 碳纳米管的特性 21

1.3.2 碳纳米管的应用前景 26

1.3.3 碳纳米管的发展趋势 34

参考文献 36

第2章 碳纳米管的结构特征 45

2.1 碳纳米管的基本结构 46

2.1.1 多壁碳纳米管 46

2.1.2 单壁碳纳米管 48

2.1.3 不规则碳纳米管的结构与欧拉定理 49

2.1.4 碳纳米管结构的稳定性 51

2.2 单壁碳纳米管的结构 57

2.2.1 几何结构 57

2.2.2 电子结构 61

2.3 碳纳米管的结构表征 64

2.3.1 电子显微镜 64

2.3.2 拉曼光谱 67

2.3.3 吸收光谱 74

2.3.4 发射光谱 78

参考文献 81

第3章 碳纳米管的制备方法与纯化技术 87

3.1 碳纳米管的制备方法 88

3.1.1 电弧放电法 89

3.1.2 激光蒸发法 93

3.1.3 化学气相沉积法 94

3.1.4 其他方法 97

3.2 碳纳米管的结构控制制备 98

3.2.1 形貌控制 98

3.2.2 导电属性控制 107

3.2.3 手性控制 111

3.3 碳纳米管的生长机理 114

3.3.1 研究方法 114

3.3.2 生长机制 116

3.4 碳纳米管的纯化技术 119

3.4.1 物理法 119

3.4.2 化学法 121

3.4.3 综合法 123

参考文献 124

第4章 碳纳米管的表面特征与孔结构 131

4.1 碳纳米管中的气体吸附 133

4.2 碳纳米管的表面 134

4.2.1 碳纳米管表面化学结构的不均匀性 136

4.2.2 单壁碳纳米管的比表面积 139

4.2.3 多壁碳纳米管的比表面积 141

4.2.4 碳纳米管的管束结构 143

4.2.5 大比表面积碳纳米管的制备和孔径控制 144

4.3 碳纳米管中的孔及其决定的吸附过程 147

4.3.1 基本孔隙——碳纳米管的准一维纳米中空管腔 148

4.3.2 单壁碳纳米管的氮吸附和多维孔结构 150

4.3.3 多壁碳纳米管的多维孔结构及其决定的吸附过程 152

4.3.4 碳纳米管多维孔结构模型 154

参考文献 156

第5章 碳纳米管的力学性能及其在复合材料中的应用 161

5.1 碳纳米管力学性能的理论研究 162

5.1.1 碳纳米管的杨氏模量 163

5.1.2 碳纳米管的Stone-Wales形变 165

5.1.3 碳纳米管断裂的理论分析 167

5.2 碳纳米管的力学性能 170

5.2.1 碳纳米管的轴向模量 170

5.2.2 碳纳米管的径向模量 175

5.2.3 碳纳米管的拉伸强度 176

5.2.4 扫描探针显微镜用探针 184

5.3 碳纳米管复合材料 187

5.3.1 碳纳米管/聚合物复合材料 187

5.3.2 碳纳米管/金属基复合材料 191

5.3.3 碳纳米管/陶瓷复合材料 195

参考文献 198

第6章 碳纳米管的电磁性能及其应用 203

6.1 碳纳米管的能带结构 205

6.1.1 二维石墨烯 205

6.1.2 单壁碳纳米管 206

6.1.3 扶手椅型和锯齿型单壁碳纳米管 208

6.1.4 金属性单壁碳纳米管的窄能隙 211

6.1.5 碳纳米管束和多壁碳纳米管的电子结构 213

6.1.6 碳纳米管结 215

6.1.7 单壁碳纳米管电子态密度的实验测定 219

6.1.8 碳纳米管的电子能量损失谱 223

6.2 碳纳米管中的电子输运及磁学性质 224

6.2.1 碳纳米管的电子输运特点 224

6.2.2 多壁碳纳米管的电学特性 225

6.2.3 单壁碳纳米管的电学特性 229

6.2.4 缺陷与掺杂碳纳米管的电学特性 231

6.2.5 碳纳米管的磁学性质 232

6.2.6 碳纳米管的A-B效应 234

6.3 碳纳米管的超导特性 235

6.3.1 碳纳米管超导特性的理论研究 235

6.3.2 碳纳米管超导特性的实验观测 236

6.4 碳纳米管电磁性能的应用 238

6.4.1 碳纳米管电子器件 238

6.4.2 微型传感器 242

6.4.3 碳纳米管电动机械装置 242

参考文献 245

第7章 碳纳米管的场致发射性能及其应用 249

7.1 概述 250

7.2 场致发射基本原理 250

7.2.1 固体内部的电子状态与表面势垒 250

7.2.2 电子逸出与逸出功 252

7.2.3 福勒尔-诺德海姆场致发射模型 253

7.2.4 场致发射的电场增强效应 256

7.3 场致发射性能的测试方法 257

7.3.1 测试样品的准备 257

7.3.2 场致发射结构的组装 263

7.3.3 场致发射性能测试设备 264

7.3.4 场致发射性能评价指标 266

7.4 碳纳米管的场致发射性能 267

7.4.1 单壁碳纳米管的场致发射性能 267

7.4.2 多壁碳纳米管的场致发射性能 270

7.4.3 碳纳米管场致发射性能的主要影响因素 279

7.5 碳纳米管场发射体的失效方式与改进方法 287

7.5.1 碳纳米管场发射体的失效方式 287

7.5.2 改进方法 290

7.6 碳纳米管场致发射性能的应用 293

7.6.1 场致发射平板显示器 294

7.6.2 冷发射阴极射线管 297

7.6.3 ×射线电子源 298

7.6.4 其他可能应用 302

参考文献 302

第8章 碳纳米管柔性薄膜晶体管器件 307

8.1 柔性薄膜晶体管器件 308

8.2 碳纳米管薄膜晶体管 310

8.2.1 碳纳米管薄膜沟道材料 314

8.2.2 碳纳米管薄膜的电学性质 317

8.2.3 碳纳米管薄膜的成膜技术 325

8.3 柔性碳纳米管薄膜晶体管及集成电路 333

8.3.1 基于转移技术的柔性器件 333

8.3.2 基于碳纳米管溶液的柔性器件 336

8.3.3 基于气相收集碳纳米管薄膜的柔性器件 342

8.4 透明碳纳米管薄膜器件 343

参考文献 352

第9章 碳纳米管的电化学性能及其应用 357

9.1 碳纳米管在锂离子电池中的应用 358

9.1.1 锂离子电池概述 358

9.1.2 锂离子电池中的负极材料 360

9.1.3 碳纳米管复合负极材料 363

9.1.4 碳纳米管在锂离子电池中的实际应用 374

9.2 碳纳米管的电化学电容特性及应用 374

9.2.1 电化学电容器原理及关键材料 375

9.2.2 影响极化电极比电容量的主要因素 378

9.2.3 碳纳米管的电化学电容特性 383

9.2.4 电化学电容器应用展望 388

参考文献 389

第10章 碳纳米管化学 393

10.1 碳纳米管的结构和化学性质 394

10.1.1 碳纳米管的价键结构及化学特性 394

10.1.2 碳纳米管的缺陷类型及其产生 396

10.1.3 理想的一维纳米空间 397

10.2 管中化学——碳纳米管反应器中的物理化学 398

10.2.1 碳纳米管开口中空管的吸附行为 398

10.2.2 碳纳米管的填充 400

10.2.3 最小的反应器——纳米试管 404

10.3 管外化学——碳纳米管的化学改性 406

10.3.1 碳纳米管化学改性的机理 407

10.3.2 碳纳米管的化学改性及其应用 408

10.4 碳纳米管的分散和分离 423

10.4.1 碳纳米管的水分散体系 423

10.4.2 碳纳米管的有机溶剂分散体系 425

10.4.3 碳纳米管的高分子分散体系 425

10.4.4 碳纳米管的导电属性和手性分离 426

参考文献 431

索引 436

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