奈米碳管是在碳簇研究的剌激之下而诞生的,是只由碳原子所形成的碳的新物质。

奈米级的圆筒状结构，具有特微为碳原子螺旋状排列之一般物质没有的特征。

因此，它表现出电的特性、拉张强度、复原性、热导性等等优异的特征，从基础科学到工业的应用遍及广泛的领域，皆受到学者相当大的注意，因此研究有突飞猛进的发展。

在奈米材料里，奈米碳管(见图一)是最知名的一种

图二C-60分子结构图

一九九一年一月，日本NEC公司基础研究实验室的饭岛澄男用碳电弧放电法合成碳六十分子时，发现一些针状物，利用高解析穿透式电子显微镜(HighResolutionTransmissionElectronMicroscope,HR-TEM)观察这些针状物，发现针状物为奈米级大小的多层同轴中空的碳管，现在我们称之为多层奈米碳管(MultiwallCarbonNanotube,MWCNT，图四)。

尔后一九九三年，又发现单层奈米碳管(SinglewallCarbonNanotube,MWCNT，图一)。饭岛澄男的重要发现马上引起各国、各个科技方面的研究人员的注目，从而探讨了解奈米碳管的特殊结构与优良性质。

采用

不同类型可依据一个碳奈米管的单胞来进行解释，图六中示出的OAB’B方框为碳奈米管的一单胞，

当石墨片卷起来形成奈米管的圆筒部分，手性矢量的端部彼此相重，手性矢量形成了奈米管圆形横截面的圆周，不同的m和n值导致不同奈米管结构。

碳奈米管的性能由它们的直径和手性角来确定，而这两个参数又取决于n和m值，直径为石墨片上近邻碳原子的间距，当n=m,时形成单臂奈碳管(armchairnanotube)

n=0或m=0,则为锯齿形奈碳管(zigzagnanotube)

n=0或m=0,时则为手性奈碳管(chiralnanotube)

奈米碳管可为金属性或半导体的，有1/3小直径的CNT是金属的，而其余为半导体。一般当(n-m)=3i(i为整数值)时，这种(n,m)奈米碳管为金属性的，所有的单臂CNT是金属性的，手性和锯齿奈米管中，部份为金属性，部份为半导体性。

碳奈米管具有与金刚石相同的导热和独特的力学性质，其抗张强度比钢的高100倍；杨氏模数高达1TPa左右；延伸率达百分之几，并具有良好的可弯曲性；单壁奈米碳管可承受扭转形变并可弯成小圆环，应力邱除后可完全恢复到原来状态；压力不会导致碳奈米管的断裂，这些十分优良的力学性能使它们有潜在的应用前景，例如，它们可用作复合材料的增强剂。

(一) 制程种类

(1) 电弧放电法(ElectricArcDischarge)

(2)雷射蒸发法(LaserAblation)

(3) 化学气相沈积法(ChemicalVaporDeposition)

(a) ThermalCVD

(b) MPECVD(MicrowavePlasmaEnhanceCVD)

(c) ECRCVD(ElectrocycrotonResonanceCVD)

(二) CVD成长机制

(三) 各种制程比较

目前奈米碳管的合成技术包括号放电法、电射溅镀法(laserablation)、化学气相沈积法(chemicalvapordeposition,CVD)等。其中利用CVD来合成奈米碳管所需的温度较低，且可进行选区寻址成长，并可整合制造场发射器所需之其它结构以及控制电路，目前为制作奈米碳管场发射显示器最主要的技术之一。由于选区寻址成长技术是制造奈米碳管场发射器所必须，因此也成为目前极为热门的研究重点之一。

由于奈米碳管的弹性极高，其张力强度比钢丝强上百倍，但重量却极轻，且兼具金属的性质与半导体的性质，故奈米碳管的应用范极广，可以用作电路中的连接件、可以用作电路开关、可用在平面显示器等。奈米碳管的发现者饭岛澄男预估：二００五年至二０一０年左右就可制造出省电、厚度仅数公厘的大面奈米碳管显示器。

预期在五年至十年内，奈米碳管电池也将开发出来，奈米碳管具有极高储存电力，但极轻的重量，可改善现有电池所有的缺点，如同电池工业的一场革命，未来对电动汽车工业极有帮助。

二０一０年左右，以硅为材料的微米级电子电路技术将走到尽头，奈米碳管将成为替代硅和其它半导体材料的最佳材料，可以开发出比现有传输速度与密度高五十倍至一百倍，且省电效益高五十倍至一百倍的电子设备。

如何制造一个不易损坏、耐用的探针是奈米产业的另一课题，目前己有人用奈米碳管为探针，因为奈米碳管的弹性极高不易折损，且导电性高不易起化学变化，为理想的探针材料之一。

另外，碳六十似乎也为艾滋病带来一线曙光，碳六十的足球状化学结构的键结，能快速地与HIV病毒结合，减低毒素与阻止HIV病毒扩散，这将促使生技医药公司开发新的碳六十药物

如果奈米碳管生产成本降到每公克三十三美元，且年产量可达一吨，将可供应产值达数十亿美元的计算机及电视显示器。如果价格降到每公克二十二美元，则更多产业都能运用奈米碳管，例如可做雷达无法侦测的隐形飞机的机壳。如果降到四．四美元，则可运用于一般日常生活用品，例如手机、笔记型计算机、PDA的屏幕。

日本2003年奈米科技大会(Nanotech2003)，会中约有近200家厂商、400个摊位介绍各项奈米技术研发与应用现况，其中也不乏许多碳奈米管的研发与应用实例，例如日本产业技术总合研究所(AIST)的NoritakeItronCorp.在展示会场中展示全世界首座40吋的碳奈米管场发射显示器(CNT-FED)。

藉由发展CNT-FED技术，除了不仅保留传统阴极射线影像的质量，并具有省电及薄型(厚度可仅数公厘)等优点，未来再结合碳奈米管其它特性，则有机会发展成为兼具低驱动电压、高发光效率、低成本、视角大及省电的大尺寸全新平面显示器。在储能材料的应用上也是碳奈米管最近相当热门的研发重点，根据研究指出，未来不管在锂离子电池或是汽车燃料电池等用途上，一旦可以成功开发出以碳奈米管为材料基质的相关组件，将可发挥比目前大数十倍之储能效果。

2002年北加州大学ChapelHill的物理学家与AppliedNanotechnology公司的研究人员利用碳奈米管数组(carbonnanotubearray)制造出新一代的X光源。由于这个数组可以在室温底下操作，因此整个仪器的操作温度远低于现有的设计，而且体积也大幅缩小。此外，研究人员也发现新的X光源具有更优良的聚焦性、更短的反应时间，X光脉冲的波形也可以根据需要而加以修改，以利于追踪移动的目标。

IBM于纽约的实验室在2001年六月利用奈米碳管制作出NOT逻辑闸。同年，美国哈佛大学CharlesLieber等人利用奈米金属线等建构了类似的逻辑运算电路。不同的是，Lieber等人对其所使用的奈米线的电性有较好的控制，其利用硅和氮化锭生成P型和N型的奈米金属线，然后将两条奈米金属线相互交错，交错点便相当于一颗晶体管，然后再将这些晶体管联结起来形成逻辑运算电路。不同于传统逻辑运算电路所使用的Topdown微影蚀刻的制造方式，Lieber等人乃是利用Bottomup组装的方式来制备组件，这样的方式将有助于大量制造和测试其所生产出来的电路。

此外，由于奈米碳管具有高长径比(aspectratio)、尖端曲率半径小、高结构强度、化学性质稳定、低启动电场的高发射电流等特性，目前被视为绝佳且最有潜力的场发射显示器材料，由于单壁奈米碳管的平均直径约在1~2nm，若使用单壁奈米碳管来做为制造阴极场发射显示器的材料，则其将会是相当尖锐的理想电子发射源，场发射阀值可降低到10V左右，产生较低能耗的新型平板场发射显示器。图六为单壁奈米碳管显示器的结构示意图。

图六(a)单壁奈米碳管显示器结构示意图(b)场发射器放大图

当物理尺寸到达奈米等级时，电子的充放电过程便不再是连续的，而是量子化的。电子必须单个单个电子进行传输，充入单个电子的能量被称之为库伦阻绝能，而此种在奈米尺度下单个单个电子传输的特性便被称为库伦阻绝效应。单电子晶体管的中心岛可以由单个分子组成，如液晶分子、碳六十、奈米碳管等，图七分别为以奈米碳管和碳六十为中心岛的实例。

碳纳米管，与金刚石、石墨、富勒烯一样，是碳的一种同素异形体。

碳纳米管(英文Carbon Nanotube，缩写CNT)是在1991年1月由日本筑波NEC实验室的物理学家饭岛澄男使用高分辨透射电子显微镜从电弧法生产的碳纤维中发现的。它是一种管状的碳分子，管上每个碳原子采取sp2杂化，相互之间以碳-碳σ键结合起来，形成由六边形组成的蜂窝状结构作为碳纳米管的骨架。每个碳原子上未参与杂化的一对p电子相互之间形成跨越整个碳纳米管的共轭π电子云。按照管子的层数不同，分为单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。管子的半径方向非常细，只有纳米尺度，几万根碳纳米管并起来也只有一根头发丝宽，碳纳米管的名称也因此而来。而在轴向则可长达数十到数百微米。

碳纳米管不总是笔直的，局部可能出现凹凸的现象，这是由于在六边形结构中混杂了五边形和七边形。出现五边形的地方，由于张力的关系导致碳纳米管向外凸出。如果五边形恰好出现在碳纳米管的顶端，就形成碳纳米管的封口。出现七边形的地方碳纳米管则向内凹进。作为一种高品质的纳米材料，由于碳纳米管的结构与石墨的片层结构相同，所以具有很好的电学性能，为发展新型直接电化学酶传感器提供了可能性。

碳纳米管的分子结构决定了它具有一些独特的性质。由于巨大的长径比(径向尺寸在纳米量级，轴向尺寸在微米量级)，碳纳米管表现为典型的一维(1D)量子材料，它的电子波函数在管的圆周方向具有周期性，在轴向则具有平移不变性，大大纯化了理论工作，并做出了一些预言。理论预言，碳纳米管具有超常的强度、热导率、磁阻，且性质会随结构的变化而变化，可由绝缘体转变为半导体、由半导体变为金属;具有金属导电性的碳纳米管通过的磁通量是量子化的，表现出阿哈诺夫-波姆效应(A-B效应)。

场发射显示器

过去FED在发展上遭遇颇多瓶颈，但是从奈米碳管技术应用逐渐浮上楼面，而CANON与TOSHIBA两家公司也合资以SED技术进行开发的种种迹象看来，FED的未来仍有其潜力。

各种平面显示器技术在画质、成本等皆取代CRT为发展的目标，而场发射显示器（Field emission display,FED）则以CRT技术的延伸来发展，意图以CRT的优点来抢占此一市场，虽然在概念上虽有与CRT类似之处，但由于在结构、材料上与CRT技术完全不同，因此发展起来的仍遭遇许多瓶颈。不过在使用奈米碳管技术应用在场发射显示技术上逐渐有较大的突破与发展，再加上Canon与Thoshiba利用表面传导发射电子的理论发SED技术，于2004年月10月合资成立新公司从事SED面板的开发、制造与销售，预计于2005年8月开始量产，让人期待FED技术的新转机。