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二十年来,纳米科技的发展已经历了以制备和表征纳米材料为核心的初级阶段,目前处于以研制和发展单元“纳米器件”为核心的阶段,并正朝着研制“纳米系统”的方向前进。纳米材料和器件的直流测量具有重要意义,目前已有大量报道;但是交流测量,例如纳米材料和器件在外场作用下物理过程的时间响应等等,人们关注的还比较少。
本论文中,我们研究了超长单壁平行碳纳米管阵列和多壁碳管的高频性质。我们设计并搭建了一个利用射频信号发生器、示波器、同轴电缆和金属屏蔽盒装配而成的简易测试平台,编写了LabVIEW程序实现数据采集和计算的自动化。我们还提出了一个二端口网络模型,并根据测量结果进行了相关仿真。
通过测量电磁波信号在不同长度的商用同轴电缆中的传输速率,我们验证了自制系统的可靠性和精度。真空中光速三分之二的速率与模拟的结果是一致的,相对误差在5%以内,系统的时间精度达到10—20皮秒。对于生长存掺杂硅片上的单壁碳纳米管阵列,我们观测到了一个由于基底导电而带来的高通效果。为了保证高频下的应用,我们建议使用绝缘基片(如石英和蓝宝石)代替硅。对于多壁碳纳米管束用作传输线使用时,我们发现在同轴电缆结构下,当屏蔽盒与电缆外皮相连并接地时,碳纳米管与铜导线几乎没有差别,但是当碳纳米管束与铜线均自由连入同轴电缆而不局域接地和屏蔽时,高频信号经过这两种样品时,其延时出现了显著差别。在这种情况下,多壁碳纳米管束表现出更短的延时,并且令人吃惊的是,碳纳米管越长延时反而越短。另外,我们发现延时还与屏蔽盒的尺寸有关。这是第一个能够证明在高频器件中多壁碳纳米管比铜导线更适合做传输线的直接的实验证据。这样的结果归因于多壁碳纳米管天然的同轴结构。在本论文中研制的系统已经被用于测量其他纳米材料和器件的高频测量,例如纳米通道中离子电导研究。