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对碳纳米管来说,洁净即美好

作者:中国科学院成都有机化学有限公司 来源:http://www.timesnano.com 日期:2018-05-08 09:35:26


莱斯大学和斯旺西大学的科学家对碳纳米管进行净化,并在净化前后用隧道扫描显微镜上的钨探测器测试碳纳米管的导电性能。上面几幅图片展示了一个探测器固定在碳纳米管末端,另一个在碳纳米管上移动的场景。
 
碳纳米管在促进电子学的发展时面临着两个主要障碍,一是如何将碳纳米管放置在合适的位置,二是如何将半导体和金属性质的碳纳米管分开。
 
我们并不清楚这些问题的解决是否会使碳纳米管成为电子学在后硅时代的万能钥匙。但是尽管这些问题没有成熟的解决方案,研究者们还是提出了一些想法。而另一个问题就不是这样:如何得到均匀的电阻测量值。
 
同时在莱斯大学和英国斯旺西大学任教的Andrew Barron指导着这两所学校的研究团队,这两个团队的研究表明洁净程度是精确测量碳纳米管电阻的关键。在此过程中,研究者们可能有了一个重大发现:利用碳纳米管,研究可以进入纳米尺度,这将为电子学带来远大的前景。
 
在Nano Letters期刊描述的研究中,Barron团队完成了对多壁碳纳米管和单壁碳纳米管的电阻测量,他们用了各种方式来清洁碳纳米管中的污染物,整个过程十分耗费精力。最终结果表明他们清除的污染物越多,电阻测量值就越精确,越稳定。
 
具有半导体性质的碳纳米管应该和其他电线具有一样的电阻性质:即电阻随着长度增加稳步提升。然而事实并不是这样。
 
根据Barron的说法,一个原因就是碳纳米管有很多杂质,而人们也同样有很多清洁碳纳米管的方式。
 
为了得到清洁的碳纳米管,Barron团队将目光投向了单个碳纳米管。Barron说“通常来说,碳纳米管的电阻是通过测量一束碳纳米管得到的,测量单个碳纳米管的电阻得到稳定结果说明我们可以理解洁净是多么重要的一件事。”
 
清洁过程通过对碳纳米管进行真空加热或者氩离子轰击开始,这两种操作可以对碳纳米管的表面进行清洁。在这一点上,他们可以将探测器放置在碳纳米管的两端来测量电阻,正如我们平时测量导线电阻一样。当然,不同之处是因为碳纳米管很小,钨探测器需要有扫描隧道显微镜才能固定住。
 
碳纳米管的污染物都清除掉之后,电阻就随着材料的长度增加而变大,正如一般材料应该表现的那样。然而,一点点污染物就可以使碳纳米管电阻的测量结果发生巨变,这也表明了得到稳定可靠的测量结果为什么如此困难。
 
在用不同的温度加热碳纳米管(术语称作回火)之后,研究者确定用500摄氏度(932华氏度)来加热,这样可以保证足够多的污染物都被清除掉,进而得到准确的电阻测量值。
 
在达到这种清洁程度之后,不用掺杂或者其他手段,我们就可以得到期望中碳纳米管所具有的导电性能了。根据Barron的说法,如果CNT足够洁净,就可以调整接触点来调整碳纳米管的导电性能。这就引出了这样的想法:碳纳米管制造的电子产品的大小可能有一个极限。
 
Barron认为这个极限似乎是由接触面周围的耗尽层决定的。耗尽层是在材料的导电区域中所有的带电体都清除后出现的。在碳纳米管中,如果接触点距离小于一微米,耗尽层就会重合,使得材料的电学性质由导体变为半导体。
 
Barron补充道:“我们正在观察一系列接触点来确定这个区域的尺寸是否会变小。”
 
Barron认为这项工作加深了我们对碳纳米管基本性质的理解,并且与理论工作不同,这完全是实验结果带来的。
 
为了进一步进行实验研究,Barron正在寻求和其他研究者以及工业界的合作。他们可以一起进行对单个碳纳米管和碳纳米管设备的精确测量,这样就可以对碳纳米管在电子学应用中的极限和潜力有更好的理解。

 

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