中文摘要：

多组分多结构一维纳米材料具有特殊的物理性能，广受关注。碳具有多种同素异构体，它们的功函数随晶态程度或碳键杂化轨道不同而发生变化。研究具有不同功函数的全碳一维周期异构纳米材料在理论和实验上都有重要意义。与常用的气相法和微操作法不同，本项目提出了新的制备全碳一维周期异构纳米材料的方法1)通过施加交变电场或磁场，获得具有不同周期宽度的"有序－无序－有序－无序……"碳纳米管；2)利用放电等离子烧结，获得具有不同晶态长度的"晶态－非晶态－晶态"碳纳米纤维。该方法过程易控制，异构界面连接紧密，并可实现大量制备。探索通过调整实验参数实现该一维纳米材料的可控制备，进而实现对其物理性能的有效调制。理论上，建立新的微观原子模型，弄清同质异构结费米能级和能带结构（禁带宽度）的影响因素，以及界面态特征，对该一维纳米材料的物理性能进行理论分析和计算，为制作下一代电子和光电子纳米器件提供理论基础。

结论摘要：

碳纳米材料，特别是具有不同结构的全碳一维异构纳米材料，具有特殊的物理和化学性能，在下一代微纳电子和光电子器件方面有着广阔应用前景。然而，其形貌、方向和结构等的有效可控制备是其实现应用的关键，也是国际上的研究热点。本项目围绕一维碳纳米材料的可控生长这一关键科学问题，提出了具有我们自己特色的利用电场、磁场和放电等离子烧结（SPS）等对一维碳纳米材料进行控制生长的方法和技术，并对其制备工艺、生长机理、微结构特征、性能和应用等进行了系统研究，取得了一些创新性成果，以期为纳米器件制作提供理论基础。主要研究内容和创新性成果如下 1、施加大电压（300V）获得了一种新型的全碳一维异质结构，称为“奶牛乳房状微/纳米碳同质异构结构”。这种复合结构高度为90-250 nm，由下部为大直径碳球（30-120 nm）和上部为小直径碳纳米管（CNTs）（10-40 nm）组成。 2、施加强磁场（0.5~1T）实现对一维碳纳米材料可控生长与微结构调控。一般研究所用的磁场较小（中心磁场小于0.01T）。我们发现1）施加强磁场后，原来无序生长的CNFs转变为沿磁场方向阵列生长，改变磁场方向，阵列生长顺序发生变化；2）强磁场能够减小和均匀化CNFs直径；3）随着磁场强度增大，CNFs结晶度增加，并转变为“竹节状”CNTs有序结构。 3、利用SPS系统研究了“实心”无序CNFs的高温转变及其同质异构结特性。主要进展有1）发现CNFs在1000℃左右就开始从非晶结构→晶态结构的石墨化转变；2）制备出了具有“晶态－非晶态”微结构特征的一维碳纳米同质异构结；3）这种单根碳纳米同质异构结的电输运性能具有整流效应；4）模拟计算得到了CNFs的费米能级及同质异构结的导电机制。5）SPS处理CNFs，在低温低压（1500℃和1个大气压）制备出了纳米金刚石颗粒，转变机理为CNFs→晶化的CNFs→弯曲的石墨层→碳纳米洋葱→纳米金刚石。 4、开发了一种利用SPS热压处理制备高质量石墨烯的新方法。该方法成本低，简单有效，并能实现大规模生产。 5、提出了“基于石墨烯应变效应的纳米电源”概念。研究显示单层石墨烯5%的形变量即可产生8mV左右的电势差。输出电压电流的大小可以进行放大和调控。在传感器和替代能源方面有潜在的应用前景。 6、开展碳纳米材料性能与应用等方面系列研究锂离子电池、超级电容器、光催化等。