扫描电子显微镜下碳纳米管振动特性检测及调控研究

发布时间：2020-05-19 06:23

【摘要】：谐振器作为一种产生谐振频率的器件,几乎应用于所有涉及频率发射和接收的电子产品和元器件中。随着纳米科学技术的飞速发展,基于纳机电系统(NEMS)的谐振器件的研究正获得广泛关注。相较于传统的微机电系统(MEMS)技术支持下的谐振器件,纳机电谐振器具有小至纳米级的尺寸、高达GHz的谐振频率以及105数量级的Q值(机械品质因数),有望替代现有石英晶体谐振器,具有非常光明的应用前景。本课题将碳纳米管作为谐振器,以调控碳纳米管的谐振频率及品质因数为主要研究目的,设计实验研究了碳纳米管振动特性的检测及调控方法。首先,基于静电力激励碳纳米管振动的原理,建立碳纳米管振动模型,在扫描电子显微镜(SEM)中借助微纳米操作器搭建了碳纳米管振动平台;其次,设计了基于信号发生器扫描频率以及扫描电镜二次电子成像的碳纳米管振动特性检测方法。最后,通过调控碳纳米管长度及在碳纳米管尖端加上质量块的方式实现了对碳纳米管振动频率和品质因数的调控。本课题主要研究内容如下:(1)基于碳纳米管悬臂梁式的振动方式建立了碳纳米管的振动模型,并在此基础上得出了碳纳米管振动的运动方程,通过拉氏变换得出其方程进而计算出动力学表达式。研究了碳纳米管振动的主要性能参数及特点,得出了碳纳米的有效质量以及特征尺寸等相关参数对碳纳米管谐振频率及品质因数Q值的影响。(2)基于碳纳米管的振动模型以及静电力激励碳纳米管振动的原理,结合扫描电子显微镜和微纳米操作器搭建了碳纳米管振动平台。首先,通过碳纳米管拾取平台从碳纳米管基底上拾取一根碳纳米管。其次,将作为振动电极的碳纳米管和固定电极的钨针分别安装在相互垂直的两个微米操作器上,采用一个信号发生器作为激励碳纳米管振动的信号源。最后,通过仿真计算得出的碳纳米管的共振频率,并通过信号发生器在共振频率附近扫描实现碳纳米管的振动。(3)设计了基于信号发生器扫描频率及扫描电子显微镜二次电子成像的振动频率和振幅检测方法。碳纳米管的振动是由信号发生器输出的交流信号激励引起的,因此本课题是通过信号发生器的输出频率得出碳纳米管的振动频率并借助扫描电子显微镜的二次电子成像获取碳纳米管的振动图像并由此测得碳纳米管的振幅。最后将采集的多组幅频数据通过Origin软件拟合成幅频曲线并计算得出谐振频率和品质因数Q的值。(4)本课题设计了两种振动特性调控方法。第一种方法是通过调控碳纳米管长度来调控碳纳米管的振动特性。实验中通过改变拾取策略及通过电子束辐照的方式来获取不同长度的碳纳米管。第二种方法是通过场发射诱导Pt质量块在碳纳米管尖端生长的方式来调控振动特性。对于两种调控方法,首先进行了理论分析和仿真,最终通过实验加以验证。
【图文】：

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扫描电子显微镜下碳纳米管振动特性检外研究现状991 年日本科学家发现碳纳米管以来，，对碳纳米管各种特性的研究追逐的热点。碳纳米管因其优异的力学及电学特性已经成为制造微想材料之一。碳纳米管 NEMS 器件的自然频率极高，具有超高的纳米管的独特结构使其还具有优异的电学特性，超大的长径比使得的场发射特性。国内外多个顶尖的科研团队正致力于基于碳纳米管，其中包括碳纳米管场效应管、碳纳米管谐振器、碳纳米管场发射。同样受到关注的还有基于碳纳米管振动的 NEMS 器件的应用，碳纳米管收音机、纳米陀螺仪[11-12]等。

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纳米管振动特性检测及调控研究静电力激励的方式驱动碳纳米管振动，并检测了谐振频调控方式未做进一步研究。自俄罗斯科学院纳米技术研究所的 S. V. Bulyarskiya 等电力激励的方式来驱动悬臂梁式碳纳米管振振动，通过纳米管的振动频率[14]。如图 1-2 所示为他们搭建的实验粘附由一根碳纳米管，探针 2 作为场发射的阳极，探驱动电极。作者同样是通过静电力激励碳纳米管振动，，同样未对振动特性的调控做进一步研究。
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN16;TN751.2

【参考文献】