基于缺陷工程的碳纳米管结构与电学性能可逆调控

发布时间：2020-06-03 04:18

【摘要】：Sp2碳材料由于其在高新技术领域中的极端重要性而引起环境、新能源、信息诸多领域广泛的研究兴趣。就材料结构本身来说,其吸引力还表现在这类碳系统的结构变化的多样性。和其它材料不一样的地方在于sp2碳系统有一种独特的能力,即在特定环境下可以通过C-C键的重构实现各种结构的演变。这种结构演变可以通过,比如说,高能粒子(如电子和离子)的辐照来实现。这种技术最近已经被证明可以用于对多种材料进行高精度的结构调控。然而,由于缺陷的引入,这种辐照方法常常会导致材料结构和相关性能不可逆转的恶化。本论文利用原位透射电子显微术(In-situTEM)发展了一种高度可控的缺陷处理技术,即缺陷在碳纳米管中先引入再去除。这种缺陷处理可以通过交替使用室温电子束辐照以及加热退火来实现,从而可逆的调控碳管的微观结构和各种电学性能。主要研究内容和结果如下:利用芯片式TEM加热样品杆原位研究了碳纳米管在辐照/退火处理下微观结构转变及相关影响因素。碳管可反复历经多次晶态/非晶的结构转变,至少可重复10次而大致保持结构的完整性。高分辨TEM实时成像表明这种结构变化源于原子尺度上缺陷的可逆转变,即间隙与空位原子的产生与复合。变温退火实验显示,碳管辐照后的再晶化起始温度可低至令人惊讶的300 ℃;而碳管要重获近于完美的晶化度则至少需要1000 ℃以上的退火温度。此外,当电子束辐照剂量较小时,退火后的碳管呈现出一定的记忆效应,从而再现辐照前的某些结构细节。更重要的是,利用TEM-STM系统,我们演示了这种技术可用来对单根碳管的一系列重要电学性能可逆可重复的调控。碳管的电阻调控实验表明,其调控范围和精度可通过选择不同的辐照/退火条件来控制。利用此技术,我们还首次实现碳管场发射性能的可逆调控,并将其开启电压与微观结构的变化直接对应起来。此外,该技术有潜力成为一种普适的方法用以调控与碳管缺陷相关的其它各种性能。而且,这种基于单根碳管的调控方法还以进一步被拓展,如利用大面积电子束辐照和大批量加热的手段,实现对其它sp2碳纳米材料(如石墨烯)的结构和物性的批量控制。
【图文】：

碳管,石墨片,高分辨,照片

由于其表现出的前所未有的优越性和应用潜力，持续受到人们的关注。。逡逑１．２．２碳管结构及性质逡逑碳纳米管中的碳原子的成键方式主要为ｓｐ２杂化，如图１．１（ａ）所示，它可以看逡逑做是石墨烯片层卷成的圆柱形中空碳结构。其平面的六角晶胞最短边长为２．４６，逡逑最短Ｃ－Ｃ键长度为１．４２。碳管根据层数可分为单壁碳纳米管（ＳＷＮＴ）和多壁碳纳逡逑米管（ＭＷＮＴ），如图１．１（ｂ）所示。单壁碳管的典型直径在０．７５？３邋ｎｍ之间，长度逡逑在１？５０邋｜ｉｍ之间。多壁碳管的典型直径在２？３０邋ｎｍ之间，长度为０．１？５０邋｜ａｍ，每逡逑层之间的间距约为０．３４邋ｎｍ，这与石墨片的面间距相近。我们可以清楚地计算出，逡逑单壁碳管和多壁碳管的长径比都很高，一般在１００？１０００之间，有些碳管具有更逡逑尚的长径比，，尚达１０００？１００００。逡逑赢Ｊ＿＿逡逑图１．１邋（ａ）石墨片层卷成碳管示意图，（ｂ）碳管高分辨照片，从左到右为逡逑ＳＷＮＴ

结构图,碳纳米管晶体管,结构图

逡逑１９９８年，ＩＢＭ和荷兰Ｄｅｌｆｔ科技大学的研宄人员制造出由一根单壁碳管制造逡逑出的晶体管［４６］。如图１．２所示，他们指出，这种晶体管制造出的晶体管和集成电逡逑路的速度将会超过硅晶体管。为了进一步研宄以碳为基的晶体管的性能，他们通逡逑过改变栅极电压，测得流过碳管的电流强度相差５个量级以上。这说明未来集成逡逑电路及芯片可以考虑用碳来代替硅，并获得更好的性能和条件。逡逑Ｎａｎｏ邋ｔｕｂｅ逡逑ＤｒａＬｎ（Ａｕ）逡逑ｍａｒｎｍａｍｍｍ逡逑ｇａｔｃ（Ｓ0逡逑图１．２碳纳米管晶体管结构图１４６１逡逑超级电容器是近些年研宄热度一直较高的一种新型储能装置，由于碳纳米管逡逑独特的中空结构、优良的导电性和较高的比表面积，被认为是超级电容器理想的逡逑电极之一［４７］。关于碳管作为超级电容器中电极材料的研宄最早始于１９９７年，逡逑ＣｈｕｎｍｉｎｇＮｉｕ等人将经催化生长制备的碳管多根缠绕在一起制成薄膜电极，其中逡逑碳管直径较为均一
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB383.1;TQ127.11

【参考文献】