【摘要】：Sp2碳材料由于其在高新技術領域中的極端重要性而引起環(huán)境、新能源、信息諸多領域廣泛的研究興趣。就材料結構本身來說,其吸引力還表現(xiàn)在這類碳系統(tǒng)的結構變化的多樣性。和其它材料不一樣的地方在于sp2碳系統(tǒng)有一種獨特的能力,即在特定環(huán)境下可以通過C-C鍵的重構實現(xiàn)各種結構的演變。這種結構演變可以通過,比如說,高能粒子(如電子和離子)的輻照來實現(xiàn)。這種技術最近已經被證明可以用于對多種材料進行高精度的結構調控。然而,由于缺陷的引入,這種輻照方法常常會導致材料結構和相關性能不可逆轉的惡化。本論文利用原位透射電子顯微術(In-situTEM)發(fā)展了一種高度可控的缺陷處理技術,即缺陷在碳納米管中先引入再去除。這種缺陷處理可以通過交替使用室溫電子束輻照以及加熱退火來實現(xiàn),從而可逆的調控碳管的微觀結構和各種電學性能。主要研究內容和結果如下:利用芯片式TEM加熱樣品桿原位研究了碳納米管在輻照/退火處理下微觀結構轉變及相關影響因素。碳管可反復歷經多次晶態(tài)/非晶的結構轉變,至少可重復10次而大致保持結構的完整性。高分辨TEM實時成像表明這種結構變化源于原子尺度上缺陷的可逆轉變,即間隙與空位原子的產生與復合。變溫退火實驗顯示,碳管輻照后的再晶化起始溫度可低至令人驚訝的300 ℃;而碳管要重獲近于完美的晶化度則至少需要1000 ℃以上的退火溫度。此外,當電子束輻照劑量較小時,退火后的碳管呈現(xiàn)出一定的記憶效應,從而再現(xiàn)輻照前的某些結構細節(jié)。更重要的是,利用TEM-STM系統(tǒng),我們演示了這種技術可用來對單根碳管的一系列重要電學性能可逆可重復的調控。碳管的電阻調控實驗表明,其調控范圍和精度可通過選擇不同的輻照/退火條件來控制。利用此技術,我們還首次實現(xiàn)碳管場發(fā)射性能的可逆調控,并將其開啟電壓與微觀結構的變化直接對應起來。此外,該技術有潛力成為一種普適的方法用以調控與碳管缺陷相關的其它各種性能。而且,這種基于單根碳管的調控方法還以進一步被拓展,如利用大面積電子束輻照和大批量加熱的手段,實現(xiàn)對其它sp2碳納米材料(如石墨烯)的結構和物性的批量控制。
【圖文】：

由于其表現(xiàn)出的前所未有的優(yōu)越性和應用潛力，持續(xù)受到人們的關注。。逡逑１．２．２碳管結構及性質逡逑碳納米管中的碳原子的成鍵方式主要為ｓｐ２雜化，如圖１．１（ａ）所示，它可以看逡逑做是石墨烯片層卷成的圓柱形中空碳結構。其平面的六角晶胞最短邊長為２．４６，逡逑最短Ｃ－Ｃ鍵長度為１．４２。碳管根據(jù)層數(shù)可分為單壁碳納米管（ＳＷＮＴ）和多壁碳納逡逑米管（ＭＷＮＴ），如圖１．１（ｂ）所示。單壁碳管的典型直徑在０．７５？３邋ｎｍ之間，長度逡逑在１？５０邋｜ｉｍ之間。多壁碳管的典型直徑在２？３０邋ｎｍ之間，長度為０．１？５０邋｜ａｍ，每逡逑層之間的間距約為０．３４邋ｎｍ，這與石墨片的面間距相近。我們可以清楚地計算出，逡逑單壁碳管和多壁碳管的長徑比都很高，一般在１００？１０００之間，有些碳管具有更逡逑尚的長徑比，，尚達１０００？１００００。逡逑贏Ｊ＿＿逡逑圖１．１邋（ａ）石墨片層卷成碳管示意圖，（ｂ）碳管高分辨照片，從左到右為逡逑ＳＷＮＴ

逡逑１９９８年，ＩＢＭ和荷蘭Ｄｅｌｆｔ科技大學的研宄人員制造出由一根單壁碳管制造逡逑出的晶體管［４６］。如圖１．２所示，他們指出，這種晶體管制造出的晶體管和集成電逡逑路的速度將會超過硅晶體管。為了進一步研宄以碳為基的晶體管的性能，他們通逡逑過改變柵極電壓，測得流過碳管的電流強度相差５個量級以上。這說明未來集成逡逑電路及芯片可以考慮用碳來代替硅，并獲得更好的性能和條件。逡逑Ｎａｎｏ邋ｔｕｂｅ逡逑ＤｒａＬｎ（Ａｕ）逡逑ｍａｒｎｍａｍｍｍ逡逑ｇａｔｃ（Ｓ0逡逑圖１．２碳納米管晶體管結構圖１４６１逡逑超級電容器是近些年研宄熱度一直較高的一種新型儲能裝置，由于碳納米管逡逑獨特的中空結構、優(yōu)良的導電性和較高的比表面積，被認為是超級電容器理想的逡逑電極之一［４７］。關于碳管作為超級電容器中電極材料的研宄最早始于１９９７年，逡逑ＣｈｕｎｍｉｎｇＮｉｕ等人將經催化生長制備的碳管多根纏繞在一起制成薄膜電極，其中逡逑碳管直徑較為均一
【學位授予單位】：廈門大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TB383.1;TQ127.11

【參考文獻】

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本文編號：2694287