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纳米碳管有着独特的结构和优异的物理、化学性质，自上世纪90年代初发现以来，一直是纳米科学与技术领域的重点研究对象。在十几年的研究历史中，人们逐渐掌握了合成纳米碳管的方法，发展了由碳管结构计算其物性的理论，建立了一套表征和测量碳管性质的技术手段，并开辟出若干个实际应用的领域。然而，作为纳米时代的标志性材料，纳米碳管至今仍有很多属性未被充分认识，仍不能被精确制造和自由操纵，还有很多潜在的应用有待发掘。
本论文的主要内容是单根纳米碳管的操纵和物性研究，详细地介绍了我在单根纳米碳管上所做的一系列系统的理论和实验研究。实验方面包括：纳米碳管的多种表征手段和技巧；碳管一金属电极间不同接触形式对电学输运测量的影响；直径仅1nm的单根碳管的二维平面场致电子发射特性；纳米碳管和碳管元件的批量制作、分类和精确组装；高温超导一纳米碳管复合体系的电学输运测量等。理论方面包括：任意结构单壁纳米碳管电子能带的简单计算；用非平衡格林函数和BdG方程计算包含Andreev反射和弹道输运的超导一碳管一超导体系的电学输运特征。总体来说，我们的工作以实验测量为主，理论计算为辅，也很重视技术创新。
本论文在纳米碳管的研究和应用领域所做的主要贡献如下：
1、通过对比实验证明了碳管-金属的纯侧壁接触和包埋端接触对电学测量而言没有差别；
2、提出了一种全新的二维平面型场发射器件，实现了直径仅1 nm、长度10μm的单根纳米碳管的场发射测量以及对场发射的实时、原位观察；得到了当前单根纳米碳管场发射实验中最低的发射电压和最大的发射电流密度。
3、提出了“纳米碳管库”的概念，实现了纳米碳管和碳管器件大规模的性质分类和精确组装，克服了纳米碳管研究和应用中样品的随机性和不确定性，解决了转移碳管和目标电极的接触问题；并且在碳管单元的功能化、模块化和碳管器件修复等方面做出了有益的探索。
4、理论上研究了在弹道输运和Andreev反射共同作用下高温超导-碳管-高温超导体系中实现μm尺度超导相位关联和相位控制的超导电流的机制，在实验上制备了这种样品，并在低温输运测量中取得了接近理论预期的数据。
本论文的组织方式如下：第一章简要介绍了纳米科技和纳米碳管的研究概况：第二章用较短篇幅给出了我所用纳米碳管的制备方法以及我在单根纳米碳管表征中积累的一些经验；第三章介绍了我对碳管一金属电极不同接触模式的对比研究；第四章给出了电子场发射的理论知识，并重点介绍了我提出的二维平面型碳管场发射的设计思想、样品制备和实验结果；第五章用较大篇幅仔细讲述了我开发“纳米碳管库”的原因和过程，详细介绍了碳管库的制做流程和使用方法，并补充了最新实现的技术升级和各种应用；第六章先在理论上探讨了超导一碳管一超导体系通过Andreev反射和弹道输运在碳管不超导的情况下实现两侧超导体相位关联的可能性，做了一些计算工作，然后介绍了我为了验证这个理论猜想所做的实验，包括样品制备流程和低温电学测量的结果。