单壁碳纳米管手性结构的高分辨宏量分离制备研究

发布时间：2021-04-09 03:22

　　单壁碳纳米管（single-wall carbon nanotubes,SWCNTs）概念上讲是由石墨烯卷曲形成的一维管状分子材料,不仅具有石墨烯优异的力学性能、极高的载流子迁移率、良好的化学稳定性等,而且具有结构可调的光电性质和良好的栅控特性,在光电器件、集成电路、生物医药等方面具备广阔前景。然而碳纳米管结构决定了其性质,结构上的微小差异将导致性质的巨大不同。例如,碳纳米管结构的不同,可以是金属性的,也可以是半导体性的;而半导体性碳纳米管的能隙与其直径近似成反比例关系。不同性质的碳纳米管,应用领域不同。目前生长制备技术制备的碳纳米管通常为包含各种手性和结构的混合物,由于性质的不可预测性,难以被直接应用,特别是在光电领域。近年来,发展了各种后处理分离技术,实现了金属性和半导体性碳纳米管、单一手性碳纳米管、甚至单一手性碳纳米管镜像体的分离。在各种分离技术中,凝胶色谱法具有简单、高效、低成本、易于自动化分离的特点,已发展成为主要的碳纳米管的分离技术。然而在小手性角碳纳米管（手性角<20°）,大直径碳纳米管（>1.2 nm）的分离方面仍然面临着巨大的挑战,而且受制于分离效率和对高... 

【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院物理研究所)北京市

【文章页数】：165 页

【学位级别】：博士

【部分图文】：

单壁碳纳米管展开图及各关键参数

与石墨烯一样，碳纳米管的六方晶格中碳原子最外层电子也以 sp2杂化成键。不过，碳纳米管是具有高长径比的管状分子。我们设想将单根单壁碳纳米管这种一维中空材料展开成平面，即得到了如图1.1的类似石墨烯的晶格平面。如图 1.1 所示，其中的 a1和 a2为基矢，向量 C = na1+ ma2被称为手性矢量，也称卷曲矢量，其模长为 C，与基矢 a1的夹角为 α。任何一根单壁碳纳米管均可被视为沿着这样一个矢量卷曲而成。而为了区别这些单壁碳纳米管，通常以(n, m)指代之，(n, m)也被称为手性指数[6]。图 1.1 中的每组数字都代表了不同手性指数的单壁碳纳米管对应的卷曲矢量的末端位置。通常，―不同手性碳纳米管‖即指具有不同手性指数的单壁碳纳米管。另外，手性角 α 和管径 d 是可以反映单壁碳纳米管能带结构的重要参数。在晶体性质的研究中，通常通过它们来唯一确定或标定某种碳纳米管的结构[7]。但在本文中主要涉及分子的分离科学领域，因而选用手性指数代指不同结构单壁碳纳米管。(a) (b)

单壁碳纳米管手性结构的高分辨率宏量分离制备研究态、管壁数目、直径、表面的化学修饰情况等进行直观的观测[9]。TEM 表征分辨率很高，但制样复杂，且成本高昂。AFM 作为扫描探针显微镜技术的一种，利用率探针与样品间微小的原子作用力的变化，来表征样品表面的形貌，其相对于扫描隧道显微镜最大的优势对样品导电性没有要求。相对于 TEM，AFM 的制样简单，成本更低。尽管相于 SEM，AFM 具有更高的分辨率，但 AFM 的分辨率难以支撑对碳纳米管的性指数、管径、管壁数目等结构参数的精确表征。(a) (b)


本文编号：3126813