碳纳米管具有独特的结构和力学、电学特性，已被证实具有广泛的应用前景。电子显微镜和纳米探针的结合将人的眼睛和手同时延伸到了纳米尺度，提供了一个直观、实时和原位的纳米材料的物性测量方法，能够实现单根纳米材料的结构和其物理性质的对应。在这篇论文中，我们结合扫描电子显微镜和四个纳米探针研究碳纳米管的操控和力学、电学特性。研究内容分为两大部分：(1)碳纳米管操控技术的发展，(2)碳纳米管的力学和电学特性的研究。　　 为了能在电子显微镜中原位地深入研究碳纳米管的物理性质，必须发展相关的原位操控技术。我们发展的操控技术包括：　　 利用纳米探针摘取、连接、放置、搬运、摆设以及焊接碳纳米管等基本操纵，实现了在基底表面操纵碳纳米管进行“书写”，并构建了特定的碳纳米管器件。　　 首次发现碳纳米管可以用作“纳米刀”去切断和削尖其它的碳纳米管，提供了一种方便且精确控制碳纳米管长度和尖端结构的方法。证明了碳纳米管“纳米刀”切削碳纳米管的机理是焦耳热导致碳纳米管的局部热蒸发。借助“纳米刀”的技术，成功构建了复杂的碳纳米管互连结构，并精确控制了碳纳米管扫描探针显微镜针尖的长度和尖端形貌。　　 发展了利用焦耳热控制碳纳米管表面无定形碳沉积速度和消除无定形碳污染的方法，为对碳纳米管进行原位可重复的物性测量提供了保障。　　 发展了一套操控单根小直径碳纳米管的方法，使得我们能够首次在扫描电子显微镜中利用纳米探针针对单根小直径碳纳米管进行原位测量，并将所测性质与其结构联系起来。　　 有了这些操控手段作为基础，我们进一步研究了单根碳纳米管的力学和电学特性，其主要内容包括：　　 研究了多壁碳纳米管弯曲振动的模型。借助“纳米刀”技术，首次研究了同一根多壁碳纳米管在不同长度时的弯曲振动特性，并发现随着长度的变小，碳纳米管的振动特性逐渐偏离Euler—Bernoulli梁模型，必须引入考虑了微元切变和转动的Timoshenko梁模型。基于Timoshenko梁模型，同时测量了碳纳米管的轴向杨氏模量和径向剪切模量，发现碳纳米管具有极其各性异性的力学特性。　　 首次定量研究了单根多壁和单壁碳纳米管在轴向拉力下的弯曲振动特性。发现从多壁到单壁碳纳米管，碳纳米管的振动逐渐由梁转变为弦，且它们在轴向拉力下的振动特性以及梁到弦的转变很好地符合Euler—Bernoulli梁模型。系统研究了碳纳米管的共振频率与其所受轴向拉力、长度、直径的关系。此外，我们的测量方法还提供了一种原位精确校准微悬臂力常数的新方法。　　 首次实验研究了双壁和三壁碳纳米管的拉伸强度。实验测量了单根双壁和三壁碳纳米管以及只包含两根双壁碳纳米管的碳纳米管束的断裂应变、强度和杨氏模量。发现缺陷的存在使得断裂应变和强度远小于无缺陷碳纳米管的理论值，且屏蔽了直径和长度对断裂应变和强度的影响。发现碳纳米管束断裂时，根据碳纳米管束中碳纳米管断裂应变的相对大小，存在一次性断裂和逐步断裂两种断裂方式。此外，还测量了双壁碳纳米管的压电特性，发现随着应变的增大，双壁碳纳米管可由金属性转变为半导体性，且禁带宽度随着应变的增加而增大。