阵列碳纳米管及其复合材料的制备与太赫兹波段响应特性研究

发布时间：2020-06-13 04:51

【摘要】：碳纳米管(CNTs)具有天然的准一维结构和优异的物理特性,有望在太赫兹波段实现重要应用。然而,目前关于碳纳米管在太赫兹产生方面的研究主要集中在理论阶段,在实验方面的研究微乎其微,而且关于碳纳米管在太赫兹波段的响应是源于碳管本身结构参数(如直径、长度等)的不同,还是来源于碳管间相互作用的影响,尚无定论,同时也缺乏对碳纳米管尤其是多壁碳纳米管在太赫兹波段光学响应机理的系统研究。因此,为了解决碳纳米管在太赫兹研究中遇到的各种问题,我们制备了不同参数的阵列多壁碳纳米管以及被聚合物包覆的碳纳米管复合材料,系统对比研究阵列碳管及其复合材料太赫兹辐射特性,阐明阵列碳管材料的太赫兹辐射机理。具体如下:首先,我们使用化学气相沉积法在不同参数下制备了垂直阵列碳纳米管。在生长过程中改变的参数分别为生长时间、生长温度、催化剂溶液浓度和气体比例(Ar:H2)。通过表征我们发现,当生长时间、生长温度、催化剂溶液浓度和气体比例分别为6min、750℃、0.06g/ml、Ar:H2=8:2时得到的碳纳米管的准直性和阵列性最好。其次,我们将生长均匀、阵列性好的碳纳米管用于太赫兹波段来研究它在此波段的光电响应。首先我们进行了碳纳米管的太赫兹产生测试,通过改变光学参数(样品角度、泵浦功率、泵浦偏振角)我们得到了不同的太赫兹脉冲波形。分析发现太赫兹波形存在一定的规律。在排除光整流等效应之后我们使用光牵引效应对碳纳米管的太赫兹产生进行了理论和实验解释,在这个效应中,载流子起主要作用,而且载流子不仅可以沿着碳纳米管轴向传输,还可以在碳管之间进行传输。其次,我们将碳纳米管用于太赫兹时域光谱测试得到时域波形。通过分析我们得出了碳纳米管的折射率、吸收系数、电导率、介电常数等光学参数。最后,为了更好的解释碳纳米管在太赫兹波段的光电响应,我们使用环氧树脂聚合物将其进行包覆,得到聚合物复合材料,并将复合材料也用于太赫兹产生及时域光谱测试。在太赫兹产生测试过程中我们发现,当改变泵浦偏振角时,得到的结果与纯碳管完全相反。这主要是因为当碳纳米管被包覆形成复合材料之后,碳管之间的载流子传输被隔绝,只留下沿碳管轴向的载流子传输。因此,当改变泵浦偏振角时,出现了与纯碳管相反的现象。接下来我们将复合材料用于时域光谱测试,通过分析我们也得到了复合材料的光学参数,同时我们将纯碳纳米管的时域波形与复合材料进行了比较,并通过Drude-Lorentz模型对实验结果进行了理论拟合,我们发现拟合结果和实验结果能很好的吻合。这一研究从理论上可加深对阵列碳管材料太赫兹辐射机理的认识,从应用上为新型太赫兹辐射器件提供技术支持,具有一定的实际应用价值。
【图文】：

结构图,碳纳米管,扶手椅,锯齿型

图 1 三种不同碳纳米管的结构图：左：扶手椅型；中：锯齿型；右：螺旋型Figure1 Structure diagram of three different carbon nanotubes: left: armchair type;middle: sawtooth type; right: spiral type碳纳米管的独特结构决定了它在许多方面具有优良的性能。随着人们对碳纳米不断深入研究，他们逐渐发现碳纳米管在力学、电学、光学、热学[17]等方面拥优异的性质。学特性碳纳米管具有特殊的网状结构，而且拥有 C=C 共价键，这是自然界最强价键之杨氏模量大约在 1-1.8TPa 之间[18]。由于它们卷曲的柱状结构决定了垂直于管更大，而且具有较大的韧性。碳纳米管的强度比钢的强度高，而它的重量却比因此，碳纳米管在力学方面具有很广泛的运用。学特性碳纳米管不仅具有很好的力学性能，，还具有优良的电学性能。碳管中的碳原子

碳纳米管,法制,实验装置

图 2 CVD 法制备碳纳米管的实验装置Figure2 An experimental device for the preparation of carbon nanotubes by CVD method2.2 材料的表征本文主要使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、拉曼光谱（Raman）等手段对碳纳米管及其复合材料进行表征。通过这些表征方法可以更好地分析阵列碳纳米管的结构和形貌。2.2.1 扫描电子显微镜（Scanning Electron Microscope，SEM）扫描电镜可以用来观察碳纳米管的基本形貌，而且它是最直接、使用最多的表征方法。这种仪器可以通过电子与样品相互作用来观察它的阵列分布情况以及生长的定向性。它的基本工作原理是：使用电子束轰击材料表面，此时电子就会和此样品中的元素发生不同次数的碰撞，一些电子会从材料表面反射出去，而剩下的电子会穿透并进入材料中，由于它们的动能被材料吸收，所以最终会停止运动。这些电子动能被材料吸收之后会激发材料并发出不同的信号，比如透射电子、二次电子、X 射线等，SEM 表征手段
【学位授予单位】：西北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O441.4;TB383.1

【参考文献】