碳納米管的自組裝及其光鑷操控研究.pdf

1、近年來，碳納米管（CNTs）因其具有獨特的結構特性、電學特性和機械特性而在納米科學技術研究領域中備受矚目。對于碳納米管的應用研究而言，碳納米管的有序組裝和定向操控是碳納米管納電子器件組裝中的關鍵技術。本論文對自組裝和光鑷操控碳納米管進行了研究。
　　首先，本文通過對單壁碳納米管（SWNTs）的表面進行化學修飾，得到了表面帶有羧基、酰氯基和硫醇基等化學功能團的單壁碳納米管。利用碳納米管表面的這些化學功能團所具有的化學活性，我們在帶有

2、自組裝單分子膜的金基底和硅基底表面制備出了單壁碳納米管膜。實驗結果使用原子力顯微鏡(AFM,Atomic Force Microscope)、掃描電子顯微鏡(SEM,Scanning Electric Microscope)和透射掃描電鏡（TEM，Transmission Electron Microscopy）進行了表征。結果發(fā)現：在使用化學自組裝方法制備的單壁碳納米管膜中，單壁碳納米管大多是橫向而不是直立于基底表面；單壁碳納米管膜的

3、密度和厚度跟溶液濃度以及反應時間成正比，并且還跟碳納米管和基底的表面性質有關。另外，我們制備了單壁碳納米管和聚苯乙烯納米小球，單壁碳納米管和C60，單壁碳納米管和脂質體分子的復合物。這些實驗結果表明，化學修飾過的單壁碳納米短管管端和管壁上的化學功能團可以作為碳納米管和其它納米材料進行反應的活性單元，用于制備生物或者氣體敏感器。
　　其次，我們使用了液滴蒸發(fā)法自組裝單壁碳納米管。實驗表明：單壁碳納米管可以在親水性合適的硅基底和玻璃基

4、底表面自組裝成不同的規(guī)則圖案，包括枝形分形圖案、環(huán)形和指形圖案。我們使用擴散受限制的凝聚模型(DLA,Diffusion-limited Aggregation)和Marangoni效應對實驗結果給予了解釋。
　　化學自組裝和液滴蒸發(fā)法適合在基底上大面積自組裝碳納米管，而光鑷技術則有可能實現對單根碳納米管或碳納米管繩束的操控。我們利用電磁模型詳細討論了光鑷捕獲納米尺度的單壁碳納米管的實驗現象。我們在實驗中還研究了基于激光束熱效應所

5、引發(fā)的兩種將納米尺度的單壁碳納米管在聚焦區(qū)聚集成環(huán)狀結構的實驗現象，并進行了詳細討論。這些結果說明光鑷是一種能夠操控納米尺度的碳納米管的有效工具。
　　為了探索單根碳納米管繩束和單根碳納米管的定向排列，我們使用光鑷技術研究了碳納米管繩束的多維操作。由于碳納米管吸收的各向異性，碳納米管繩束在光鑷中可以發(fā)生自動偏轉直至其長軸和激光束的傳播方向趨向一致。通過調節(jié)聚焦深度，被光鑷捕獲的碳納米管繩束可以沿平行或者垂直于激光束的傳播方向進行穩(wěn)

6、定定向。定向后的碳納米管繩束可以被光鑷在溶液中移動至基底上的特定位置然后通過調節(jié)捕獲深度來進行固定，由此在基底上得到特定排列的碳納米管繩束圖案。為了增加對光鑷中碳納米管繩束捕獲姿態(tài)的調節(jié)度和操控的可靠性，我們在實驗中還發(fā)展了另外三種可以定向操控碳納米管繩束的方法：第一種方法是在光擴束器中間加入一塊平面玻璃板，通過調節(jié)玻璃板和光束傳播方向之間的夾角來調節(jié)碳納米管繩束在光鑷中的取向；第二種方法是在實驗中把聚焦激光束調節(jié)成線形光斑，可以實現對

7、碳納米管繩束進行有效的定向排列，即使是長達幾十微米的碳納米管繩束也可以嚴格沿線形光斑取向；第三種方法是利用激光束的偏振態(tài)來對碳納米管繩束進行定向控制。對這些實驗結果我們做了理論上的定性解釋，這些結果對于組裝光控碳納米管鑷子等碳納米管器件具有重要的指導意義。
　　最后，我們還研究了碳納米管繩束在光鑷中的旋轉問題。由于碳納米管繩束能夠吸收一定的激光能量，所以在激光聚焦區(qū)內的碳納米管會吸收一定的激光能量并轉化成熱量釋放出去，從而造成聚焦

8、區(qū)附近的水溶液因溫度梯度而形成對流。被激光捕獲的形狀不規(guī)則的碳納米管繩束會在水溶液的對流中進行多種不同形式的隨機運動。對于表面帶有彎曲結構的碳納米管繩束，當其長軸順著激光束傳播方向被光鑷捕獲時，它能在光鑷中發(fā)生旋轉，但其旋轉的方向取決于碳納米管具體的彎曲結構，而與光鑷附近水溶液的對流運動無關。如果是多壁碳納米管繩束，當其長軸順著圓偏振激光束傳播方向被光鑷捕獲時，多壁碳納米管繩束本身會吸收圓偏振光的光子動量而轉化為推動繩束旋轉的扭矩，因而