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碳纳米管的生长机制、控制制备和实际应用是碳纳米管研究中相互制约、相互促进的三个重要研究方向。生长机制的深入理解是指导和实现控制制备的关键；控制制备是碳纳米管实际应用的物质基础,也为生长机制的理解提供实验证据和验证平台；根据特定结构和性质设计的实际应用是实现碳纳米管价值和保持碳纳米管研究领域活力的必然要求,同时也为控制制备提供指向。本文利用原位透射电镜技术在碳纳米管的生长机制研究和器件构建方面开展工作。
在碳纳米管的生长机制方面,首先利用透射电镜原位研究了SiOx催化碳纳米管的形核生长行为。发现活性催化物质是氧化物,催化剂颗粒在碳纳米管形核和生长过程中保持固态非晶结构,碳原子通过表面扩散的路径供给,生长过程符合固体表面扩散生长机制。进一步对比研究了Fe和SiOx催化生长碳纳米管的过程。提出合适的颗粒尺度、适当的颗粒.碳层相互作用及必要的驱动力是碳纳米管生长的必要条件。传统碳纳米管生长机制(VLS)中催化裂解碳氢气体、出现催化剂液相颗粒、碳溶入-碳化物形成-碳析出过程不是碳纳米管生长不可或缺的条件。
采用透射电镜原位研究了螺旋碳纤维在高密度直流电作用下的结构演变,发现在没有外加催化剂的条件下可实现双壁碳纳米管的生长。提出异质外延生长碳纳米管的新方法,以叠杯状氮化硼(BN)纳米纤维为种籽,制备出直径分布在石墨层间距(0.33 nm)整数倍的单壁碳纳米管,为碳纳米管的结构控制制备提供了新思路。
在碳纳米管器件构建方面,针对碳纳米管具有纳米尺度和电子输运散射小的特点,设计并在透射电镜中原位制备了具有量子化电导性质的碳纳米管夹持金属原子链,实现了多种金属及合金原子链与碳纳米管的有效连接和集成,为金属原子链的装配提供了有效途径,并可望促进碳纳米管在纳电子和自旋器件中的应用。
利用高分辨透射电子显微镜以及第一原理计算和模拟研究了Fe原子链的形成过程,发现沿(110)面的滑移和扭折是其形成过程中的重要机制。Fe原子链的表面由(110)和(100)面构成,异于面心立方金属倾向形成(111)构成的表面,归结于体心立方结构与面心立方结构在原子堆垛方式和表面性质的差异。利用第一原理计算方法研究了碳纳米管夹持Fe原子链的电子结构,发现二者形成牢固的共价键结合,Fe原子链保持其半金属特性,碳纳米管保持其金属性质。利用透射电子显微镜原位操纵平台测试了碳纳米管夹持Fe原子链的导电属性,发现其电导呈量子化,表明与碳纳米管结合以后,金属原子链仍保持其独特的物理性质。