神奇的納米碳管

王　載

所謂納米碳管是指將碳六角網(wǎng)面卷成封閉無(wú)縫筒狀結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其直徑從亞納米(小于1納米)到50納米左右(1納米＝10^-9米)，中間有被稱(chēng)之為布基管的空管。做一個(gè)形象的比喻，我們將直徑l納米的球比喻為1厘米的玻璃球，則直徑1米的球相當(dāng)于地球那么大。

奇怪的物質(zhì)特性

納米碳管的形狀是獨(dú)特的，而且其優(yōu)異的性質(zhì)更是讓世界大吃一驚。例如納米碳管根據(jù)直徑的大小或碳原子的排列方式不同，它會(huì)成為良導(dǎo)體的“金屬”或者具有一點(diǎn)導(dǎo)電性的“半導(dǎo)體”。這是非常不可思議的。銅、鐵等金屬無(wú)論何時(shí)總是金屬，普通的橡膠總是不導(dǎo)電的“絕緣體”而納米碳管僅由碳構(gòu)成，卻有時(shí)是金屬，有時(shí)是半導(dǎo)體，通常物質(zhì)是不會(huì)具有這種特性的。

目前，科學(xué)家已經(jīng)利用納米碳管這種性質(zhì)制造出了場(chǎng)效應(yīng)晶體，實(shí)現(xiàn)了比原來(lái)硅晶體更好的性能。所謂晶體管是可用于信號(hào)放大或開(kāi)關(guān)等的元件，能夠?qū)⒍鄠€(gè)半導(dǎo)體組合在一起制造。如果利用極細(xì)的納米碳管，最終能實(shí)現(xiàn)單個(gè)電子都能控制的晶體管，科學(xué)家預(yù)測(cè)將來(lái)用它代替硅。

納米探針“眼睛”

作為觀(guān)察原子的高技術(shù)顯微鏡之一的掃描型探針顯微鏡，用納米碳管做該顯微鏡的“眼睛”，將納米級(jí)的探針最大限度地靠近試樣表面，感知作用在試樣與探針之間原子的力或微弱電流，查明試樣表面原子級(jí)的凹凸程度。顯然，探針越細(xì)越尖，顯微鏡的精度越高。納米碳管是納米尺寸，非常細(xì)且強(qiáng)度高，因?yàn)檫€有彈性，與目前正在使用的硅探針相比，具有難以損壞的長(zhǎng)壽命。用納米碳管作為納米世界的“眼睛”，甚至可以觀(guān)測(cè)蛋白質(zhì)的微細(xì)結(jié)構(gòu)。

顯示器的能耗低

納米碳管的研究中，最引人注目的是它在低功耗平板電視上的應(yīng)用。納米碳管在顯示器中作為電子槍使用，一旦在納米碳管上施加電壓，電子從其前端像槍彈似地發(fā)射出，這是所謂的“場(chǎng)致發(fā)射”現(xiàn)象。如果這個(gè)電子撞上涂在玻璃屏上的熒光涂料，熒光涂料就會(huì)發(fā)光。一般在金屬的尖端，容易引起場(chǎng)致發(fā)射，用低的電壓射出。多次實(shí)驗(yàn)論證，用極細(xì)且強(qiáng)度高的納米碳管作電子槍是最好的材料。世界上率先開(kāi)發(fā)出以納米碳管為電子槍的熒光管，首先是將多個(gè)這樣的熒光管排列，組成非常高的電光告示牌。

利用納米碳管不單是作為平板電視顯示器已被產(chǎn)品化，還用作等離子顯示器。紅綠藍(lán)是光的三原色，三原色的不同組合可以制造所有的顏色。等離子顯示器的原理基本上與熒光燈一樣，通過(guò)在氣體中放電產(chǎn)生紫外線(xiàn)，紫外線(xiàn)再射到玻璃屏內(nèi)側(cè)涂有紅綠藍(lán)的熒光體上使其發(fā)光，圖像被顯示出來(lái)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，等離子顯示器是許多個(gè)微小熒光排列構(gòu)成的畫(huà)面。

等離子顯示器可以顯示清晰的圖像，使大畫(huà)面成為可能。由于比一般家庭普及的電視機(jī)更薄，所以非常受歡迎。缺點(diǎn)是等離子顯示器的消耗功率大。據(jù)估算，75厘米高清晰電視，若用等離子顯示器消耗功率是240瓦左右，用納米碳管只需6.8瓦左右。

納米管電子槍

納米碳管作為電子槍使用的平板電視顯示器被稱(chēng)作納米碳管場(chǎng)致發(fā)射顯示器，其原理基本上與我們熟知的普通電視機(jī)顯像管一樣，只是普通顯像管為了使畫(huà)面放大，電視機(jī)主體務(wù)必要有一定的厚度。

而納米碳管場(chǎng)致發(fā)射顯示器的情形，每一個(gè)微小像素配置的納米碳管電子槍?zhuān)虮话惭b在緊靠畫(huà)面后方的陰極，所以能夠薄型化。再者，納米碳管的電子槍低壓發(fā)射電子，所以消耗功率低，又因可以快速應(yīng)答。所以不會(huì)出現(xiàn)余像。

關(guān)于納米碳管場(chǎng)致發(fā)射器，今后的一個(gè)課題是納米碳管的電子發(fā)射如何能夠均勻分布在整個(gè)畫(huà)面，使整個(gè)畫(huà)面亮度相同。

另外，若能以更低電壓發(fā)射電子也是很重要的。如果在80伏特以下，則顯示器元件就可使用現(xiàn)有便宜的低壓用集成電路，從而降低顯示器整體的成本。

對(duì)于研究人員而言，下一步將探討如何拓寬碳基底集成電路或納米機(jī)械的應(yīng)用，人們通過(guò)這些出自常見(jiàn)碳的新材料看到了高科技所顯示的巨大威力?；蛟S除了碳以外，在我們身邊還隱藏著其他新材料。

責(zé)任編輯蒲暉