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物理所单根悬空单壁碳纳米管研究获进展
录入时间:2016/1/7 11:10:24

为了研究单根碳纳米管的性质和器件性能,以及操纵碳纳米管从而得到某种特殊的结构,人们往往需要在光学显微镜下定位某个碳纳米管才能进行光谱表征和器件构筑。传统的使用扫描电子显微镜来标记定位的方法较为繁琐且易污染碳纳米管。纳米材料的光学可见化可以满足人们的需求。而已有的在碳纳米管表面沉积金属或氧化物纳米颗粒的方法,虽然实现了光学显微镜下的可见化,却可能导致碳纳米管的性能退化,不利于碳纳米管本征物性的探索。

碳纳米管优异的性质极易受到周围环境的影响,以往使用混合样品研究碳纳米管的物理性质,往往只能得到样品中各种结构的平均信息,更无法分析碳纳米管的结构与物理性质的关系。因此,表征单根碳纳米管的本征物理性质一直是研究人员探究的前沿。例如,在碳纳米管的光吸收探测方面,随着CCD技术的发展和激光强度的提高,探测微小光学信号已经不再是难以解决的问题。然而,在探测和放大单根碳纳米管样品光学信号的同时,剔除衬底和周围环境的影响,仍然是困难重重。而在碳纳米管的热学性质方面,理论研究证明碳纳米管具有极高的热传导性能,然而由于测量方法不同,加上所使用的样品的质量参差不齐和结构不一,实验上测得碳纳米管的热导值差异很大。除了碳纳米管的结构表征,使用非接触方式测算纳米材料的温度也是必须解决的问题。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)先进材料与结构分析实验室“纳米材料与介观物理”研究小组(A05组),多年来一直致力于碳纳米管的制备、物性与应用研究。在以往工作的基础上,该课题组中科院院士解思深指导的博士生张霄等人发展了一种可逆、持久且无损的单根悬空单壁碳纳米管光学可见化与本征物理性质探测的方法(中国发明专利,申请号201410682661.7, 201410681975.5),最近,与中国科学技术大学教授宋礼、物理所SF1组研究员白雪冬、博士田学增、国家纳米科学中心博士齐笑迎合作,在单根悬空单壁碳纳米管的光学可见化及其本征光学、热学性质研究中取得重要进展。

基于部分悬空的超长碳纳米管,通过形成冰-碳纳米管微米级直径异质壳芯结构,使纳米级直径碳纳米管的构型在光学显微镜下可见。通过使用不同偏振激光照射该异质壳芯结构,根据不同的表面冰层消失现象和电子衍射确定的碳纳米管手性,系统研究了单根碳纳米管的光吸收截面问题。基于这种激光诱导的部分融化现象,建立了分段的一维稳态热传导方程,利用通过碳纳米管拉曼G模红移确定的激光光斑边缘位置的温度,以及冰层边界不变的冰的融化温度作为边界条件,结合碳纳米管的几何信息,计算得到不同手性的超长悬空碳纳米管的轴向热导率在2000-6000 W K-1 m-1范围,接近于理论计算值。相关研究结果发表在(NPG)Light: Science & Applications(2015, 4, e318; DOI: 10.1038/lsa.2015.91)上。

该工作得到了科技部、国家自然科学基金委和中国科学院等项目的支持。

  图1 (左图a, b)部分悬空超长碳纳米管样品作为碳纳米管结构-性质测试平台;(右图)在窄狭缝处碳纳米管结构和手性表征:(a)HRTEM图像、(c)电子衍射图和(b)理论模拟结果。

  图2 (a)碳管被激光加热导致表面冰层的融化示意图;(b-d)不同偏振激光导致表面冰层局部消失情况不同。

  图3 用一维稳态热传导方程计算得到的多根分立碳纳米管的轴向热导率


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