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本论文以浮动催化的化学气相沉积法所制备的单壁碳纳米管薄膜为基础,对其变温电导、气体光解吸附、表面能获取和利用以及张力测定等方面进行了深入系统的研究。主要内容如下:
1.单/双壁碳纳米管薄膜电导变温特性研究。测量了300 K至1.5 K温度范围内,碳纳米管薄膜电阻对温度的依赖关系,发现在低温区域,电阻值明显上升,这种依赖关系可以通过二维Mott变程跃迁和声子辅助隧穿效应解释。此外磁阻测量表明,碳纳米管薄膜在低磁场和高磁场下分别表现出负磁电阻和正磁电阻现象,双壁碳纳米管薄膜中的磁阻对于磁场更加敏感。
2.光照对单壁碳纳米管薄膜形态、氧脱附特性研究。对于较浓密的碳纳米管薄膜,当光照强度为100 mW/cm2并且辐照距离为5 cm时,碳纳米管薄膜会发生燃烧现象,并且碳纳米管中的作为催化剂的铁纳米颗粒产生明显的形貌变化;当光照强度较小时并且辐照距离较远时,光照对碳纳米管薄膜有强烈的自清洁作用:碳纳米管薄膜上的无定形碳在光照作用下被有效的氧化清除。对于稀疏的单壁碳纳米管薄膜和网络,空气中光照不会破坏碳纳米管本身的形貌;在真空(10-3 Pa)条件下,碳纳米管薄膜的电导会逐渐降低而后达到饱和,在高纯氧气氛围中观察不到这种电导的变化,证明是由于光照导致的氧气脱附所致。
3.单壁碳纳米管绳构建极性液体表面能发电机的研究。利用金刚石拉丝模对单壁碳纳米管膜进行处理,得到定向性良好的单壁碳管绳。将碳管绳用电极固定,当浸入极性液体(甲醇、乙醇以及丙酮等)时,在表面张力的作用下,极性溶剂沿着碳管之间的间隙流动。流动的极性分子与碳管中的载流子交换动量,使得载流子产生定向运动而在管的两端产生稳定的电动势。我们还研究了与电动势大小及稳定性关系密切的参数:如管绳倾角、特征长度、酒精挥发性等。同时发现,Marangoni效应对发电机的性能有明显的提高:如电动势产生速率、电动势大小以及输出功率,实验中得到最大功率可达1770 pW。由于电动势的高度稳定性,此类表面能发电机可以驱动常用的热敏电阻,在不用其他外界电源的情况下,可构建为自供电系统温度传感器。
4.单壁碳纳米管薄膜在张力测定中的应用研究。实验发现,对于可浸润碳纳米管的液体,将其滴至悬空碳纳米管薄膜表面可使之弯曲,同时观测到薄膜两端会产生开路电压。开路电压的大小与碳纳米管薄膜中的弯曲程度及应力相关。同时,通过拉曼光谱的研究,发现在薄膜形变过程中,碳纳米管的G峰峰位会随着应力发生变化。