不同波长激光致多壁碳纳米管连接的研究

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21世纪是纳米材料的天下,要将纳米材料制备成纳米设备并为人们所使用,首当其冲要解决的问题就是纳米材料的连接问题。碳纳米管自1991年被日本NEC公司的S·IIjima博士发现以来,以其独特的结构及各项物理性能为世人所关注。但是时至今日,碳纳米管自发现以来已过去20年也未见其有实际应用。在众多原因中,如何实现有效的大规模连接是亟待解决的问题之一。在过去人们对其的研究中,无论是使用电子束或是离子束连接,或是对其管壁进行化学修饰,利用悬挂的化学官能团间发生的化学反应连接,这些方法都有其限制性:电子束或离子束连接虽然可以精确定点连接,但此方法只适用于科研领域,设备昂贵且无法大规模制造;对碳纳米管进行化学修饰有改变碳纳米管自有性质的可能。  激光作为高能电磁波,具有单色性、方向性良好且能量密度高的特点,现已大量应用于金属材料切割、焊接、微纳加工等领域。为解决上述问题,激光自然进入考虑范围。本文分别使用355nm、1064nm、10.6um波长激光辐照多壁碳纳米管,力求寻找可以使多壁碳纳米管连接的参数。并通过SEM、TEM、Raman spectra、电阻率测试等实验对连接的样品进行表征。  实验配备浓度为0.1%的TritonⅩ-100乙醇分散液,将碳纳米管聚合物放入分散液中超声震荡分散,制备成碳纳米管分散液。将分散液定量滴定至玻璃基片上,放入真空干燥箱待溶剂挥发制备成碳纳米管薄膜。后将样品放入充满氮气的密封箱内利用激光进行辐照处理,并对处理后的样品进行表征分析。  经不同波长激光处理后发现355nm、1064nm、10.6um波长激光辐照多壁碳纳米管,由于光子能量的不同会使碳纳米管表面呈现不同的结构改变。355nm波长激光辐照样品,使样品卷曲度增加、长径比减小。10.6um波长激光辐照样品由于热积累的作用,碳纳米管的结构不稳定,向碳原子数量较小的sp2电子杂化结构转变,长径比大幅减小、表面孔洞增加。1064nm波长激光辐照样品会使样品连接,如果增加辐照时间则会破坏碳纳米管。激光辐照碳纳米管的连接效果与能量密度有关,破坏效果与功率密度有关。通过实验可知获得最佳连接接头效果的能量密度为50J/cm2~90J/cm2,超过此能量密度,由于热积累的作用多壁碳纳米管呈现破坏趋势。通过TEM检测可知使用1064nm波长激光辐照多壁碳纳米管后,连接接头处有新石墨片层生成,即连接是由于在两碳纳米管的搭接处生成新石墨片层,将两碳纳米管连接。  为进行定点观测,尝试将玻璃基底更换为单晶硅基底,重复上述实验步骤,发现以玻璃做基底的实验参数无效,并且超过某温度阈值,碳纳米管薄膜消失。通过SEM、Raman spectra表征发现,是由于在单晶硅基底上的碳纳米管在氮气气氛下相互发生化学反应导致。此种方法有望成为激光制备纳米SiC、Si3N4混合粉体的新方法。  通过Raman spectra和电阻率测试发现,激光辐照初期对样品的破坏作用就已经开始。当辐照的能量密度在60J/cm2-90J/cm2时,结晶程度最好,电阻最低。当辐照能量密度在120J/cm2以上时,激光对多壁碳纳米管的破坏作用明显。
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