电子辐照对碳纳米管弯曲度控制的实验研究.pdf

第卷 第期 年月：电 子 辐 照 对 碳 纳 米 管 弯 曲 度 控 制 的 实 验 研 究徐 超 霆，崔哲，何 书 昂，徐 开 兵，邹 儒 佳（东 华 大 学材 料 科 学 与 工 程 学 院，纤 维 材 料 改 性 国 家 重 点 实 验 室；分 析 测 试 中 心，上 海）摘要：为 使 加 工 的 碳 纳 米 管 更 好 地 应 用 于 纳 米 电 子 器 件 中，研 究 了 电 子 辐 照 对 碳纳 米 管 弯 曲 的 控 制。实 验 过 程 中，使 用 不 同 的 辐 照 方 式 对 碳 纳 米 管 进 行 电 子 辐 照并 观 察 辐 照 对 其 形 貌 的 影 响；同 时 使 用 透 射 电 镜 原 位 电 学 样 品 杆 测 试 了 不 同 辐 照时 间 的 碳 纳 米 管 的 导 电 性。结 果 表 明：通 过 调 整 电 子 辐 照 的 位 置 与 时 间，能 够 控 制碳 纳 米 管 的 弯 曲 位 置、方 向 与 程 度；同 时 碳 纳 米 管 在 经 电 子 辐 照 后，导 电 性 没 有 明显 下 降。该 研 究 的 实 验 过 程 中 使 用 了 原 位 透 射 技 术，可 以 在 纳 米 尺 度 上 对 单 根 碳纳 米 管 进 行 精 确 地 加 工，并 同 时 测 试 其 电 学 性 能。该 电 子 辐 照 可 成 为 碳 纳 米 管 的一 种 加 工 手 段，使 碳 纳 米 管 作 为 纳 米 导 线 等 部 件 更 好 地 应 用 于 电 子 纳 米 器 件 的 制备 中。关 键 词：碳 纳 米 管；电 子 辐 照；弯 曲；电 学 性 能中 图 分 类 号：文 献 标 志 码：文 章 编 号：（），（，；，）：（），；（），；，：；收 稿 日 期：作 者 简 介：徐 超 霆（），男，浙 江 嘉 兴 人，硕 士 生，研 究 方 向 为原 位 透 射 电 镜 及 储 能 材 料。：；：通 信 作 者：邹 儒 佳（），男，安 徽 芜 湖 人，博 士，研 究 员，主 要 从事 纳 米 材 料 的 制 备、结 构 和 单 体 性 能 及 器 件 研 究。：；：引言碳 纳 米 管 是 一 种 由 碳 原 子 层 卷 曲 而 成 的 管 状 纳 米材 料。自首 次 观 察 到 碳 纳 米 管 后，由 于 其 独特 的 电 学 性 能，在 场 发 射、能 源、电 子 器 件 等 领 域 有 着第期徐 超 霆，等：电 子 辐 照 对 碳 纳 米 管 弯 曲 度 控 制 的 实 验 研 究广 泛 的 研 究。如 高 金 海 等使 用 磁 控 溅 射 法 制 备了 链 状 碳 纳 米 管 组 成 的 薄 膜，经 测 试 发 现 其 具 备 优 异的 场 发 射 性 能；等将 多 壁 碳 纳 米 管 用 作 铝 离 子电 池 的 正 极，制 得 了 能 稳 定 工 作 的 电 池；等通 过 浸 渍 法 将 碳 纳 米 管 涂 敷 于 硅 片 表 面，并 在 碳 纳 米管 表 面 包 覆 了 一 层 高 分 子 材 料，从 而 制 备 了 碳 纳 米 管晶 体 管。这 些 研 究 将 碳 纳 米 管 大 量 运 用 到 了 器 件 中，但 由于 碳 纳 米 管 的 尺 寸 为 纳 米 级，这 些 研 究 中 均 无 法 对 碳纳 米 管 进 行 精 确 的 调 控，因 此 碳 纳 米 管 在 器 件 中 的 形貌 及 分 布 具 有 一 定 的 随 机 性。而 原 位 透 射 技 术 可 以 在透 射 电 镜 中 借 助 电 子 束 及 特 殊 的 样 品 杆 等 手 段 对 样 品施 加 各 种 刺 激，并 观 察 样 品 的 变 化 过 程。这 种 技术 可 帮 助 研 究 人 员 在 微 观 层 面 研 究 并 操 纵 纳 米材 料。本 文 利 用 使 用 原 位 透 射 技 术 对 单 根 碳 纳 米 管 的 弯曲 进 行 精 确 控 制。拟 通 过 调 整 电 子 束 辐 照 位 置 与 时间，观 察 电 子 辐 照 对 碳 纳 米 管 形 貌 的 影 响，研 究 使 用 电子 辐 照 来 控 制 碳 纳 米 管 的 弯 曲；并 使 用 透 射 电 镜 原 位电 学 样 品 杆 测 试 不 同 辐 照 时 间 的 碳 纳 米 管 的 电 学 性能，研 究 辐 照 对 碳 纳 米 管 导 电 性 的 影 响，以 达 到 使 用 电子 辐 照 来 对 碳 纳 米 管 的 弯 曲 程 度 进 行 精 确 控 制 的目 的。实 验 材 料 与 仪 器（）实 验 材 料。本 实 验 使 用 纯 度 为的 多 壁碳 纳 米 管，南 京 先 丰 纳 米 材 料 科 技 有 限 公 司 生 产。（）实 验 仪 器。使 用场 发 透 射 电 镜（，），公 司；透 射 电 镜 原 位 电 学 样 品 杆（，），公 司。实 验 方 法 电 子 辐 照 实 验将 碳 纳 米 管 置 于样 品 杆 的 铂 电 极 上，调 整 透 射 电 镜 中 电 子 束 束 斑 的 大 小 与 位 置 来 对 碳 纳 米管 的 局 部 进 行 辐 照，电 子 束 的 加 速 电 压 为，电流 密 度 约 为 ，辐 照 完 成 后 则 将 束 斑散 开 以 降 低 电 子 束 强 度，从 而 减 小 电 子 束 对 碳 纳 米 管的 影 响。（）电 子 辐 照 控 制 碳 纳 米 管 弯 曲 方 向。聚 集 电 子束 分 别 对 碳 纳 米 管 两 侧 辐 照，辐 照 结 束 后 散 开 电子 束，观 察 碳 纳 米 管 形 貌。（）电 子 辐 照 控 制 碳 纳 米 管 弯 曲 程 度。增 加 弯 曲度 的 实 验 为 聚 集 电 子 束 对 碳 纳 米 管 的 一 侧 持 续 进 行 辐照，辐 照 时 间 分 别 在、时 散 开 电 子 束 观 察 碳纳 米 管 形 貌；减 小 弯 曲 度 的 实 验 为 聚 集 电 子 束 对 弯 曲碳 纳 米 管 曲 率 最 大 处 外 侧 辐 照 约，然 后 散 开 电 子 束观 察 碳 纳 米 管 形 貌，重 复 上 述 过 程 直 至 碳 纳 米 管 变 直。原 位 电 学 性 能 测 试对 碳 纳 米 管 电 学 性 能 的 测 试 通 过样 品杆 进 行，如 图所 示。将 碳 纳 米 管 置 于样 品杆 的 铂 电 极 上 见 图（），移 动 铂 电 极 使 碳 纳 米 管与 另 一 端 的 金 电 极 接 触。从 开 始 增 加 两 电极 间 的 电 压 至，并 记 录 相 应 的 电 流 变 化。图原 位 透 射 电 学 实 验 装 置 及 相 应 示 意 图：（）样品 杆；（）原 位 电 学 性 能 测 试 装 置 示 意 图结 果 与 分 析 电 子 束 对 碳 纳 米 管 的 影 响纳 米 材 料 在 受 电 子 辐 照 时，产 生 的 作 用 主 要 可 以分 成 两 部 分：碰 撞 作 用；激 发 作 用。受 电 子 碰撞 作 用 的 影 响，碳 纳 米 管 中 的 碳 原 子 可 能 会 发 生 位 移甚 至 脱 离 碳 纳 米 管，从 而 产 生 缺 陷。有 缺 陷 的 碳 层 会进 行 重 构 产 生 五 元 环 等 结 构，导 致 碳 层 收 缩，如图所 示。图 中 的 碳 纳 米 管 的 中 间 部 分 在 经 受 电 子 束长 时 间 辐 照 后，内 壁 出 现 了 明 显 的 收 缩 现 象。图经 电 子 辐 照 后 内 壁 发 生 收 缩 的 碳 纳 米 管 若 使 电 子 集 中 照 射 在 碳 纳 米 管 的 一 侧，则 可 能 导致 碳 纳 米 管 的 单 侧 管 壁 出 现 收 缩，最 终 引 起 碳 纳 米 管向 一 侧 弯 曲，如 图所 示。其 中 图（）为 未 经 电 子 辐照 的 直 的 碳 纳 米 管，且 碳 纳 米 管 两 边 的 管 壁 厚 度 基 本相 等；图（）为 右 侧 管 壁（）受 聚 集 的 电 子 束 辐 照 后的 碳 纳 米 管，白 色 虚 线 表 示 收 缩 的 碳 纳 米 管 内 壁。由图 可 知 由 于 右 侧 管 壁（）受 到 了 电 子 辐 照，发 生 了 更严 重 的 收 缩，从 而 使 碳 纳 米 管 开 始 向 右 弯 曲。第卷图电 子 辐 照 前 后 碳 纳 米 管 结 构 的 变 化（）未 经 电 子 辐 照的 碳 纳 米 管；（）碳 纳 米 管 右 侧 管 壁 受 到 聚 集 的 电 子 束辐 照 后 内 壁 发 生 收 缩 电 子 辐 照 对 碳 纳 米 管 弯 曲 方 向 控 制 的 研 究通 过 控 制 电 子 辐 照 的 位 置，可 以 控 制 碳 纳 米 管 的弯 曲 位 置 与 弯 曲 方 向，如 图所 示。当 图（）中 白 圈处 未 经 电 子 辐 照 笔 直 的 碳 纳 米 管 的 左 侧 管 壁 用 电 子 束进 行 辐 照 后，碳 纳 米 管 在 辐 照 处 向 左 弯 曲 见 图（），并 由 图（）的 局 部 放 大 图 中 也 可 看 到，在 辐照 处 碳 纳 米 管 内 壁 发 生 了 收 缩，其 内 部 空 腔 几 乎 消 失；进 一 步 在 图（）中 白 圈 处 碳 纳 米 管 右 侧 管 壁 用 电 子束 进 行 辐 照，碳 纳 米 管 则 开 始 在 辐 照 处 向 右 弯 曲 见图（）。由 此 通 过 调 整 电 子 辐 照 的 位 置，本 文 成 功控 制 了 碳 纳 米 管 的 弯 曲 位 置 与 弯 曲 方 向，得 到 了“”形 碳 纳 米 管。图电 子 辐 照 对 碳 纳 米 管 弯 曲 方 向 的 控 制（）未 经 电 子 辐 照 的 碳 纳 米 管；（、）经 电 子 辐 照 后 的 碳 纳 米 管注：插 图 为 碳 纳 米 管 的 受 辐 照 弯 曲 部 位 的 放 大 图，白 圈 表 示 电 子 辐 照 的 位 置 电 子 辐 照 对 碳 纳 米 管 弯 曲 程 度 控 制 的 研 究随 着 时 间 增 加，在 碰 撞 效 应 下 脱 离 碳 纳 米 管 的 碳原 子 增 加，碳 纳 米 管 的 收 缩 程 度 也 会 随 之 增 加，因 此 还可 以 通 过 增 加 辐 照 时 间 来 增 加 弯 曲 程 度，如 图所 示。其 中 图（）为 未 经 电 子 辐 照 的 碳 纳 米 管，白 圈 为 电 子辐 照 位 置。由 图（）可 知，随 着 辐 照 时 间 增 加，离开 碳 纳 米 管 的 碳 原 子 不 断 增 加，碳 纳 米 管 的 弯 曲 角 度也 随 之 增 加。本 文 通 过 增 加 辐 照 时 间 来 增 加 碳 纳 米 管的 弯 曲 程 度。此 外，碳 纳 米 管 在 电 子 辐 照 下 的 弯 曲 过程 也 会 受 其 直 径 影 响，图中 的 碳 纳 米 管 直 径 约，因 此 只 需 辐 照 十 几 秒 便 可 使 之 弯 曲；而 图中 的碳 纳 米 管 直 径 约，需 辐 照 数 分 钟 才 能 使 之 出 现明 显 的 弯 曲。图以 电 子 辐 照 增 加 碳 纳 米 管 弯 曲 程 度（）未 经 电 子 辐 照 的 碳 纳 米 管，白 圈 为 电 子 辐 照 位 置；（）经 电 子 辐 照 后 的 碳 纳 米 管；（）经 电 子 辐 照 后 的 碳 纳 米 管；（）经 电 子 辐 照 后 的 碳 纳 米 管 当 电 子 束 在 碳 纳 米 管 的 一 侧 进 行 进 辐 照 后，碳 纳米 管 会 向 受 辐 照 的 一 侧 弯 曲，所 以 若 对 已 弯 曲 的 碳 纳米 管 弯 曲 处 的 外 侧 进 行 辐 照，则 可 能 使 弯 曲 碳 纳 米 管向 外 侧 弯 曲，从 而 使 之 变 直，本 文 也 尝 试 了 通 过 电 子 辐照 来 使 弯 曲 的 碳 纳 米 管 变 直。图（）为 一 向 左 弯 曲的 碳 纳 米 管，在 弯 曲 的 碳 纳 米 管 上 曲 率 最 大 处 的 右 侧 见 图（）中 白 圈 位 置 用 电 子 辐 照 数 秒 后，碳 纳 米管 被 辐 照 处 的 右 侧 管 壁 发 生 收 缩，从 而 减 小 了 碳 纳 米向 左 弯 曲 的 程 度。重 复 前 面 的 过 程，本 文 成 功 使 弯 曲的 碳 纳 米 管 变 直 见 图（）（）。此 外，由 图（）中 的 插 图 可 知 由 于 受 到 了 电 子 束 的 辐 照，与 图（）中的 对 应 位 置 相 比 内 壁 发 生 了 不 同 程 度 的 收 缩。电 子 辐 照 对 碳 纳 米 管 导 电 性 影 响 的 研 究为 确 定 电 子 辐 照 对 碳 纳 米 管 导 电 性 的 影 响，本 文使 用样 品 杆 测 试 了 经 受 不 同 电 子 辐 照 时 间的 碳 纳 米 管 的 伏 安 特 性。图为 经 受 不 同 电 子 辐 照 时间 的 碳 纳 米 管 的 电 流电 压 曲 线，由 图 中 可 知，在 经 受不 同 时 间 的 电 子 辐 照 后，碳 纳 米 管 的 电 流电 压 曲 线 基本 保 持 重 合，斜 率 近 似 相 等，表 明 碳 纳 米 管 的 电 阻 基 本保 持 不 变，即 导 电 性 无 明 显 变 化。这 可 能 由 于 电 子 辐照 产 生 的 缺 陷 主 要 集 中 在 碳 纳 米 管 的 一 侧，当 有 电 流通 过 碳 纳 米 管 时，碳 纳 米 管 中 传 输 的 电 子 可 以 绕 过 缺陷 继 续 传 输，即 电 子 辐 照 可 以 作 为 一 种 碳 纳 米 管 的 加工 手 段，使 之 更 好 地 应 用 于 电 子 器 件。第期徐 超 霆，等：电 子 辐 照 对 碳 纳 米 管 弯 曲 度 控 制 的 实 验 研 究图以 电 子 辐 照 减 少 碳 纳 米 管 弯 曲 程 度（）受 电 子 辐 照 的 弯 曲 碳 纳 米 管，白 圈 表 示 辐 照 位 置；（）经 电 子 辐 照 后 变 直 的 碳 纳 米 管注：（）图 中 插 图 为 碳 纳 米 管 经 受 过 电 子 辐 照 的 位 置 的 放 大 图图在 不 同 电 子 辐 照 时 间 下 碳 纳 米 管 的 电 流电 压 曲 线结语本 文 通 过 聚 集 电 子 束 对 碳 纳 米 管 进 行 辐 照 来 改 变其 弯 曲 程 度，并 使 用样 品 杆 进 行 了 电 学 性能 测 试。结 果 表 明：通 过 调 整 电 子 辐 照 的 时 间 与 位置，可 以 控 制 碳 纳 米 管 的 弯 曲，从 而 对 单 根 碳 纳 米 管 的形 貌 进 行 精 确 地 控 制；经 电 子 辐 照 后 的 碳 纳 米 管 在弯 曲 后 导 电 性 并 未 出 现 显 著 下 降。因 此 电 子 辐 照 可 以在 改 变 碳 纳 米 管 的 形 状 的 同 时 使 碳 纳 米 管 保 持 一 定 的导 电 性，这 可 以 成 为 碳 纳 米 管 的 一 种 加 工 手 段 使 碳 纳米 管 作 为 纳 米 导 线 等 部 件 更 好 地 应 用 于 电 子 纳 米 器 件的 制 备 中。参 考 文 献（）：，（）：，：，（）：郝明，王聪，蒋睿，等碳 纳 米 管 场 发 射 电 子 源 的 仿 真 设计 与 性 能 测 试 真 空 与 低 温，（）：高 金 海，张洁，李 成 刚，等链 状 碳 纳 米 管 的 制 备 及 其 场 发 射性 能 研 究 电 子 器 件，（）：，：，（）：，：，：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿殨殨殨殨 名 人 名 言 科 学 的 灵 感，决 不 是 坐 等 可 以 等 来 的。如 果 说，科 学 上 的 发 现 有什 么 偶 然 的 机 遇 的 话，那 么 这 种偶 然 的 机 遇只 能 给 那 些 学 有 素 养的 人，给 那 些 善 于 独 立 思 考 的 人，给 那 些 具 有 锲 而 不 舍 的 精 神 的 人，而 不 会 给 懒 汉。华 罗 庚