【摘要】：碳納米管(CNTs)具有天然的準一維結構和優(yōu)異的物理特性,有望在太赫茲波段實現(xiàn)重要應用。然而,目前關于碳納米管在太赫茲產(chǎn)生方面的研究主要集中在理論階段,在實驗方面的研究微乎其微,而且關于碳納米管在太赫茲波段的響應是源于碳管本身結構參數(shù)(如直徑、長度等)的不同,還是來源于碳管間相互作用的影響,尚無定論,同時也缺乏對碳納米管尤其是多壁碳納米管在太赫茲波段光學響應機理的系統(tǒng)研究。因此,為了解決碳納米管在太赫茲研究中遇到的各種問題,我們制備了不同參數(shù)的陣列多壁碳納米管以及被聚合物包覆的碳納米管復合材料,系統(tǒng)對比研究陣列碳管及其復合材料太赫茲輻射特性,闡明陣列碳管材料的太赫茲輻射機理。具體如下:首先,我們使用化學氣相沉積法在不同參數(shù)下制備了垂直陣列碳納米管。在生長過程中改變的參數(shù)分別為生長時間、生長溫度、催化劑溶液濃度和氣體比例(Ar:H2)。通過表征我們發(fā)現(xiàn),當生長時間、生長溫度、催化劑溶液濃度和氣體比例分別為6min、750℃、0.06g/ml、Ar:H2=8:2時得到的碳納米管的準直性和陣列性最好。其次,我們將生長均勻、陣列性好的碳納米管用于太赫茲波段來研究它在此波段的光電響應。首先我們進行了碳納米管的太赫茲產(chǎn)生測試,通過改變光學參數(shù)(樣品角度、泵浦功率、泵浦偏振角)我們得到了不同的太赫茲脈沖波形。分析發(fā)現(xiàn)太赫茲波形存在一定的規(guī)律。在排除光整流等效應之后我們使用光牽引效應對碳納米管的太赫茲產(chǎn)生進行了理論和實驗解釋,在這個效應中,載流子起主要作用,而且載流子不僅可以沿著碳納米管軸向傳輸,還可以在碳管之間進行傳輸。其次,我們將碳納米管用于太赫茲時域光譜測試得到時域波形。通過分析我們得出了碳納米管的折射率、吸收系數(shù)、電導率、介電常數(shù)等光學參數(shù)。最后,為了更好的解釋碳納米管在太赫茲波段的光電響應,我們使用環(huán)氧樹脂聚合物將其進行包覆,得到聚合物復合材料,并將復合材料也用于太赫茲產(chǎn)生及時域光譜測試。在太赫茲產(chǎn)生測試過程中我們發(fā)現(xiàn),當改變泵浦偏振角時,得到的結果與純碳管完全相反。這主要是因為當碳納米管被包覆形成復合材料之后,碳管之間的載流子傳輸被隔絕,只留下沿碳管軸向的載流子傳輸。因此,當改變泵浦偏振角時,出現(xiàn)了與純碳管相反的現(xiàn)象。接下來我們將復合材料用于時域光譜測試,通過分析我們也得到了復合材料的光學參數(shù),同時我們將純碳納米管的時域波形與復合材料進行了比較,并通過Drude-Lorentz模型對實驗結果進行了理論擬合,我們發(fā)現(xiàn)擬合結果和實驗結果能很好的吻合。這一研究從理論上可加深對陣列碳管材料太赫茲輻射機理的認識,從應用上為新型太赫茲輻射器件提供技術支持,具有一定的實際應用價值。
【圖文】：

圖 1 三種不同碳納米管的結構圖：左：扶手椅型；中：鋸齒型；右：螺旋型Figure1 Structure diagram of three different carbon nanotubes: left: armchair type;middle: sawtooth type; right: spiral type碳納米管的獨特結構決定了它在許多方面具有優(yōu)良的性能。隨著人們對碳納米不斷深入研究，他們逐漸發(fā)現(xiàn)碳納米管在力學、電學、光學、熱學[17]等方面擁優(yōu)異的性質(zhì)。學特性碳納米管具有特殊的網(wǎng)狀結構，而且擁有 C=C 共價鍵，這是自然界最強價鍵之楊氏模量大約在 1-1.8TPa 之間[18]。由于它們卷曲的柱狀結構決定了垂直于管更大，而且具有較大的韌性。碳納米管的強度比鋼的強度高，而它的重量卻比因此，碳納米管在力學方面具有很廣泛的運用。學特性碳納米管不僅具有很好的力學性能，，還具有優(yōu)良的電學性能。碳管中的碳原子

圖 2 CVD 法制備碳納米管的實驗裝置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掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、拉曼光譜（Raman）等手段對碳納米管及其復合材料進行表征。通過這些表征方法可以更好地分析陣列碳納米管的結構和形貌。2.2.1 掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）掃描電鏡可以用來觀察碳納米管的基本形貌，而且它是最直接、使用最多的表征方法。這種儀器可以通過電子與樣品相互作用來觀察它的陣列分布情況以及生長的定向性。它的基本工作原理是：使用電子束轟擊材料表面，此時電子就會和此樣品中的元素發(fā)生不同次數(shù)的碰撞，一些電子會從材料表面反射出去，而剩下的電子會穿透并進入材料中，由于它們的動能被材料吸收，所以最終會停止運動。這些電子動能被材料吸收之后會激發(fā)材料并發(fā)出不同的信號，比如透射電子、二次電子、X 射線等，SEM 表征手段
【學位授予單位】：西北大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：O441.4;TB383.1

【參考文獻】

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2 王s

本文編號：2710679