什麼是奈米碳管
將石墨烯捲成筒狀、直徑約1 nm〜數十nm的碳材料。依捲繞方向（掌性指數）可呈金屬性或半導體性，軸向強度非常高。
日文名稱: カーボンナノチューブ
「奈米碳管」出現在1領域的3道練習題中（奈米材料等）。
這個名詞所屬的領域: 奈米材料
結構與掌性指數
奈米碳管（CNT）具有將碳原子以sp²鍵排成六角形的石墨烯無接縫捲成圓筒的結構。有只有1層的單壁CNT，以及多層同心圓狀重疊的多壁CNT，多壁CNT的層間距約為0.34 nm，接近石墨。捲繞方向以相當於圓周的掌性向量 Ch = na₁ + ma₂ 的整數組(n, m)表示，n = m 稱為扶手椅型，m = 0 稱為鋸齒型，其餘稱為掌性型。直徑可由 d = a√(n² + nm + m²)/π（a = 0.246 nm）計算，單壁CNT多為約1〜2 nm。
電性質
單壁CNT的電子狀態，由石墨烯能帶中只保留圓周方向以駐波形式被容許之波數而決定。容許波數的線通過石墨烯導電帶與價電帶相接的K點時，也就是 n − m 為3的倍數時呈金屬性，否則呈半導體性。扶手椅型全部呈金屬性。半導體性CNT的能隙大致與直徑成反比，直徑1 nm左右時約為零點幾〜1 eV。一般的合成會混合生成金屬性與半導體性者，因此應用於電晶體等時，分離或選擇性成長是課題。
機械與熱性質及用途
CNT的軸向只以強sp²鍵相連，因此楊氏模數約為1 TPa，抗拉強度達數十GPa，非常高，而密度約為1.3〜2 g/cm³，很小。軸向的熱導率也顯示高值。利用這些性質，CNT被用於少量加入樹脂或橡膠以提高導電性或強度的複合材料、鋰離子電池電極的導電助劑、透明導電膜、導線材料等。不過，要在束、紗線或複合材料這類大材料中發揮單根CNT的優異性質，需要在分散、取向與CNT間負荷傳遞上下工夫。
練習奈米碳管的題目
單壁奈米碳管的電子性質，由表示石墨烯捲繞方向的掌性指數(n, m)決定，n − m 為3的倍數時呈金屬性，否則呈半導體性。下列何者呈金屬性？
- A(6, 6)的扶手椅型
- B(10, 0)的鋸齒型
- C(7, 5)的掌性型
單壁奈米碳管的直徑，以石墨烯的晶格常數 a = 0.246 nm 表示為 d = a√(n² + nm + m²)/π。掌性指數(10, 10)的奈米碳管直徑最接近下列何者？
- A約0.78 nm
- B約1.36 nm
- C約4.26 nm
查看答案與解析
正確答案：B. 約1.36 nm
n² + nm + m² = 100 + 100 + 100 = 300，因此 √300 ≈ 17.32。掌性向量的長度（圓周）為 0.246 × 17.32 ≈ 4.26 nm，除以π得直徑 d ≈ 1.36 nm。約4.26 nm 是忘了除以π而把圓周當成直徑的值。約0.78 nm 是以 C–C鍵長 0.142 nm 取代晶格常數 a = 0.246 nm 的值，弄錯了 a = √3 × 0.142 nm 的關係。(10, 10)是扶手椅型，因此呈金屬性。單壁奈米碳管的直徑多為約1〜2 nm。
常見問題
奈米碳管是怎麼製造的？
除了電弧放電與雷射蒸發，量產主要使用以鐵或鈷等觸媒微粒分解碳氫化合物使其成長的化學氣相沉積（CVD）法。可藉觸媒粒徑在某種程度上控制CNT的直徑。
隨機選擇(n, m)時，金屬性者大約占多少比例？
n − m 為3的倍數者大約占3分之1，因此約3分之1呈金屬性，約3分之2呈半導體性。
多壁奈米碳管也會成為半導體嗎？
多壁CNT混有金屬性與半導體性的層，外側粗的層能隙較小，因此整體上通常顯示金屬性的導電。
解析中的「奈米碳管」
單壁奈米碳管是將1片石墨烯捲成以掌性向量 Ch = na₁ + ma₂ 為圓周的圓筒。
單壁奈米碳管的電子性質，由表示石墨烯捲繞方向的掌性指數(n, m)決定，n − m 為3的倍數時呈金屬性，否則呈半導體…單壁奈米碳管的直徑多為約1〜2 nm。
單壁奈米碳管的直徑，以石墨烯的晶格常數 a = 0.246 nm 表示為 d = a√(n² + nm + m²)/π…溶膠-凝膠法、氣相凝結、以CVD成長奈米碳管也同樣屬於由下而上法。
奈米材料的製作方法，可分為將大材料細化的由上而下法，與將原子或分子組裝起來的由下而上法。屬於由下而上法的是下列何者？