碳纳米管为何导电？手性与石墨烯结构的关键作用

从根本上说，碳纳米管导电是因为其结构是一个卷曲起来的石墨烯片层。 碳原子以一种方式键合，留下了一片可自由沿着管子长度移动的移动电子“海洋”。然而，片层卷曲的具体方式决定了它导电的程度，使得一些纳米管像铜一样具有金属性，而另一些则像硅一样具有半导体性。

碳纳米管的电导率不是一个固定的属性；它是其几何形状的直接结果。石墨烯片层概念上卷曲的具体角度，即其手性，决定了电子能级是排列成金属态还是形成能隙，从而形成半导体。

基础：石墨烯的 sp² 杂化

纳米管中的碳原子使用 sp² 杂化连接。这与石墨和石墨烯中发现的键合排列是相同的。

每个碳原子使用其四个外层电子中的三个与邻近原子形成牢固的共价键。

这三个电子形成了位于同一平面的西格玛（σ）键。这些键构成了著名的六角形晶格，赋予了纳米管惊人的机械强度。

这些西格玛电子是局域的且束缚紧密，形成了结构框架，但不参与导电。

每个碳原子的第四个外层电子位于垂直于纳米管表面的 p 轨道中。

这些 p 轨道与邻近原子的轨道重叠，形成了离域的派（π）键。这形成了一片不束缚于任何单个原子、可以自由穿过整个结构移动的电子云。正是这片“派电子海”携带了电流。

想象一张平坦的石墨烯片。要制造纳米管，你需要将这张片材卷成一个无缝的圆柱体。你卷曲它的角度被称为其手性。

这个几何特性是决定纳米管电学行为的最重要因素。

科学家用一对指标 (n,m) 来描述纳米管的手性。这些整数定义了卷曲的方向和角度，进而决定了纳米管的直径和结构。

您不需要了解复杂的数学，只需知道不同的 (n,m) 对对应于不同类型的纳米管。

在量子力学中，电子表现得像波。在平坦的石墨烯片中，这些电子波可以朝任何方向传播。

当片材卷成管状时，波被限制了。它只能以完美“契合”的特定、量子化的波长沿着圆周传播。这种限制对允许哪些电子能态施加了严格的规则。

如果材料的电子可以轻易跃迁到一个可以自由移动的状态（导带），那么该材料就是金属性的。如果它们必须首先克服一个能隙，那么它就是半导体。

对于碳纳米管（CNT）要具有金属性，其允许的电子波态（由于限制）必须与石墨烯中发生传导的能态完美对齐。

对于具有“扶手椅”结构的纳米管——其中 n=m（例如 (10,10)）——这种对齐总是发生的。几何结构保证了没有能隙。

因此，所有扶手椅型纳米管都是真正的金属。

对于所有其他类型，称为“锯齿型”（其中 m=0）和“手性”（其中 n≠m≠0），对齐是偶然的。

根据它们的几何形状，大约三分之一的此类纳米管将是金属性的，而另外三分之二的电子态将错位。这种错位会打开一个能量带隙，使它们成为半导体。这个能隙的大小与纳米管的直径成反比。

纳米管电子学中最大的挑战是对手性（chirality）的控制。大多数合成方法，如化学气相沉积，会产生金属性和半导体性纳米管的随机混合物。

分离这些类型是一个困难且昂贵的过程，阻碍了它们在需要纯度的应用中的广泛采用。

现实世界中的纳米管不是完美的圆柱体。结构缺陷、杂质或急剧的弯曲会干扰派电子的流动。

这些不完美之处充当散射点，增加电阻并产生不需要的热量，从而降低性能。

即使拥有完美的金属性纳米管，将电流导入和导出它也是一个重大的工程问题。纳米管与金属电极之间的结合处可能具有非常高的接触电阻。

在许多纳米器件中，这种接触电阻（而不是纳米管的固有电阻）是性能的限制因素。

理解这种结构与性质之间的联系是有效利用纳米管的关键。

最终，利用碳纳米管卓越的电学特性完全取决于控制其精确的原子几何结构。