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碳纳米管的自组装及其光镊操控研究

作　者: 张建隆
导　师: 孙秀冬；Lee Haiwon
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 光学
关键词: 碳纳米管化学自组装分形图案光镊
分类号: TB383.1
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

近年来,碳纳米管(CNTs)因其具有独特的结构特性、电学特性和机械特性而在纳米科学技术研究领域中备受瞩目。对于碳纳米管的应用研究而言,碳纳米管的有序组装和定向操控是碳纳米管纳电子器件组装中的关键技术。本论文对自组装和光镊操控碳纳米管进行了研究。首先,本文通过对单壁碳纳米管(SWNTs)的表面进行化学修饰,得到了表面带有羧基、酰氯基和硫醇基等化学功能团的单壁碳纳米管。利用碳纳米管表面的这些化学功能团所具有的化学活性,我们在带有自组装单分子膜的金基底和硅基底表面制备出了单壁碳纳米管膜。实验结果使用原子力显微镜(AFM, Atomic Force Microscope)、扫描电子显微镜(SEM, Scanning Electric Microscope)和透射扫描电镜(TEM,Transmission Electron Microscopy)进行了表征。结果发现:在使用化学自组装方法制备的单壁碳纳米管膜中,单壁碳纳米管大多是横向而不是直立于基底表面;单壁碳纳米管膜的密度和厚度跟溶液浓度以及反应时间成正比,并且还跟碳纳米管和基底的表面性质有关。另外,我们制备了单壁碳纳米管和聚苯乙烯纳米小球,单壁碳纳米管和C60,单壁碳纳米管和脂质体分子的复合物。这些实验结果表明,化学修饰过的单壁碳纳米短管管端和管壁上的化学功能团可以作为碳纳米管和其它纳米材料进行反应的活性单元,用于制备生物或者气体敏感器。其次,我们使用了液滴蒸发法自组装单壁碳纳米管。实验表明:单壁碳纳米管可以在亲水性合适的硅基底和玻璃基底表面自组装成不同的规则图案,包括枝形分形图案、环形和指形图案。我们使用扩散受限制的凝聚模型(DLA, Diffusion-limited Aggregation)和Marangoni效应对实验结果给予了解释。化学自组装和液滴蒸发法适合在基底上大面积自组装碳纳米管,而光镊技术则有可能实现对单根碳纳米管或碳纳米管绳束的操控。我们利用电磁模型详细讨论了光镊捕获纳米尺度的单壁碳纳米管的实验现象。我们在实验中还研究了基于激光束热效应所引发的两种将纳米尺度的单壁碳纳米管在聚焦区聚集成环状结构的实验现象,并进行了详细讨论。这些结果说明光镊是一种能够操控纳米尺度的碳纳米管的有效工具。为了探索单根碳纳米管绳束和单根碳纳米管的定向排列,我们使用光镊技术研究了碳纳米管绳束的多维操作。由于碳纳米管吸收的各向异性,碳纳米管绳束在光镊中可以发生自动偏转直至其长轴和激光束的传播方向趋向一致。通过调节聚焦深度,被光镊捕获的碳纳米管绳束可以沿平行或者垂直于激光束的传播方向进行稳定定向。定向后的碳纳米管绳束可以被光镊在溶液中移动至基底上的特定位置然后通过调节捕获深度来进行固定,由此在基底上得到特定排列的碳纳米管绳束图案。为了增加对光镊中碳纳米管绳束捕获姿态的调节度和操控的可靠性,我们在实验中还发展了另外三种可以定向操控碳纳米管绳束的方法:第一种方法是在光扩束器中间加入一块平面玻璃板,通过调节玻璃板和光束传播方向之间的夹角来调节碳纳米管绳束在光镊中的取向;第二种方法是在实验中把聚焦激光束调节成线形光斑,可以实现对碳纳米管绳束进行有效的定向排列,即使是长达几十微米的碳纳米管绳束也可以严格沿线形光斑取向;第三种方法是利用激光束的偏振态来对碳纳米管绳束进行定向控制。对这些实验结果我们做了理论上的定性解释,这些结果对于组装光控碳纳米管镊子等碳纳米管器件具有重要的指导意义。最后,我们还研究了碳纳米管绳束在光镊中的旋转问题。由于碳纳米管绳束能够吸收一定的激光能量,所以在激光聚焦区内的碳纳米管会吸收一定的激光能量并转化成热量释放出去,从而造成聚焦区附近的水溶液因温度梯度而形成对流。被激光捕获的形状不规则的碳纳米管绳束会在水溶液的对流中进行多种不同形式的随机运动。对于表面带有弯曲结构的碳纳米管绳束,当其长轴顺着激光束传播方向被光镊捕获时,它能在光镊中发生旋转,但其旋转的方向取决于碳纳米管具体的弯曲结构,而与光镊附近水溶液的对流运动无关。如果是多壁碳纳米管绳束,当其长轴顺着圆偏振激光束传播方向被光镊捕获时,多壁碳纳米管绳束本身会吸收圆偏振光的光子动量而转化为推动绳束旋转的扭矩,因而多壁碳纳米管绳束就会在光镊中发生围绕管轴的自转。这些研究结果将有助于推动碳纳米管研究在微机械领域内的发展。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-13
第1章绪论  13-30
  1.1 引言  13
  1.2 碳纳米管材料简介  13-20
    1.2.1 碳纳米管的结构  14-16
    1.2.2 碳纳米管的分类  16-18
    1.2.3 碳纳米管的物理化学性质  18-19
    1.2.4 碳纳米管的应用  19-20
  1.3 定向排列碳纳米管的国内外研究现状  20-28
    1.3.1 自组装法  21-22
    1.3.2 光镊操控法  22-25
    1.3.3 其它定向操控碳纳米管的方法  25-28
  1.4 本课题的研究意义  28
  1.5 论文的主要研究内容  28-30
第2章化学自组装单壁碳纳米管膜及其复合物  30-44
  2.1 引言  30
  2.2 自组装原理  30-32
  2.3 化学自组装单壁碳纳米管膜  32-37
    2.3.1 单壁碳纳米管的截断和化学修饰  32-35
    2.3.2 单壁纳米管膜的实验制备  35
    2.3.3 实验结果及其讨论  35-37
  2.4 单壁碳纳米管材料和其它纳米材料的加成  37-43
    2.4.1 单壁碳纳米管和 PS 小球的加成反应及其结果分析  38-40
    2.4.2 单壁碳纳米管和C_(60) 的加成反应及其结果分析  40-42
    2.4.3 单壁碳纳米管和脂质体分子的加成反应及其结果分析  42-43
  2.5 本章小结  43-44
第3章液滴蒸发法自组装单壁碳纳米管  44-61
  3.1 引言  44
  3.2 实验样品的制备  44-46
  3.3 液滴蒸发法自组装单壁碳纳米管的实验结果及其分析  46-60
    3.3.1 DMF 溶液中单壁碳纳米管在硅基底上的沉积  46-48
    3.3.2 水溶液中的单壁碳纳米管在单分子膜上的沉积  48-49
    3.3.3 水溶液中单壁碳纳米管在硅基底上的自组装  49-58
    3.3.4 乙醇溶液中单壁碳纳米管在硅基底上的自组装  58-59
    3.3.5 水溶液中单壁碳纳米管在玻璃基底上的自组装  59-60
  3.4 本章小结  60-61
第4章光镊操控纳米尺度的单壁碳纳米管  61-86
  4.1 引言  61
  4.2 光镊工作原理  61-64
  4.3 光镊操控纳米微粒的理论分析模型  64-66
  4.4 光镊实验装置  66-67
  4.5 光镊操控纳米尺度的单壁碳纳米管的实验及其结果分析  67-75
  4.6 单壁碳纳米管在基底上的固定  75-76
  4.7 单壁碳纳米管环状结构的形成及其理论分析  76-85
  4.8 本章小结  85-86
第5章光镊定向操控碳纳米管绳束  86-115
  5.1 引言  86
  5.2 光镊多维操控碳纳米管绳束  86-110
    5.2.1 碳纳米管绳束在光镊中的捕获和取向  86-105
    5.2.2 多壁碳纳米管绳束的旋转  105-106
    5.2.3 单壁碳纳米管绳束的旋转  106-110
  5.3 碳纳米管绳束在基底表面的固定  110-112
  5.4 铌酸锂微晶在碳纳米管管壁上固定  112-113
  5.5 本章小结  113-115
结论  115-117
参考文献  117-129
攻读博士学位论文期间发表的论文  129-132
致谢  132-133
个人简历  133

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