單根懸空單壁碳納米管光學(xué)可見(jiàn)化及本征探測獲進(jìn)展

　　為了研究單根碳納米管的性質(zhì)和器件性能，以及操縱碳納米管從而得到某種特殊的結構，人們往往需要在光學(xué)顯微鏡下定位某個(gè)碳納米管才能進(jìn)行光譜表征和器件構筑。傳統的使用掃描電子顯微鏡來(lái)標記定位的方法較為繁瑣且易污染碳納米管。納米材料的光學(xué)可見(jiàn)化可以滿(mǎn)足人們的需求。而已有的在碳納米管表面沉積金屬或氧化物納米顆粒的方法，雖然實(shí)現了光學(xué)顯微鏡下的可見(jiàn)化，卻可能導致碳納米管的性能退化，不利于碳納米管本征物性的探索。

　　尤其是碳納米管優(yōu)異的性質(zhì)極易受到周?chē)h(huán)境的影響，以往使用混合樣品研究碳納米管的物理性質(zhì)，往往只能得到樣品中各種結構的平均信息，更無(wú)法分析碳納米管的結構與物理性質(zhì)的關(guān)系。因此，表征單根碳納米管的本征物理性質(zhì)一直是研究人員探究的前沿。例如，在碳納米管的光吸收探測方面，隨著(zhù)CCD技術(shù)的發(fā)展和激光強度的提高，探測微小光學(xué)信號已經(jīng)不再是難以解決的問(wèn)題。然而，在探測和放大單根碳納米管樣品光學(xué)信號的同時(shí)，剔除襯底和周?chē)h(huán)境的影響，仍然是困難重重。而在碳納米管的熱學(xué)性質(zhì)方面，理論研究證明碳納米管具有極高的熱傳導性能，然而由于測量方法不同，加上所使用的樣品的質(zhì)量參差不齊和結構不一，實(shí)驗上測得碳納米管的熱導值差異很大。除了碳納米管的結構表征，使用非接觸方式測算納米材料的溫度也是必須解決的問(wèn)題。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗室(籌)先進(jìn)材料與結構分析實(shí)驗室“納米材料與介觀(guān)物理”研究小組(A05組)，多年來(lái)一直致力于碳納米管的制備、物性與應用研究。在以往工作的基礎上，該課題組解思深院士指導的博士生張霄等人發(fā)展了一種可逆、持久且無(wú)損的單根懸空單壁碳納米管光學(xué)可見(jiàn)化與本征物理性質(zhì)探測的方法(中國發(fā)明專(zhuān)利，申請號201410682661.7， 201410681975.5)，最近，與中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)宋禮教授、本所SF1組白雪冬研究員、田學(xué)增博士、國家納米科學(xué)中心齊笑迎博士合作，在單根懸空單壁碳納米管的光學(xué)可見(jiàn)化及其本征光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)研究中取得重要進(jìn)展。

　　基于部分懸空的超長(cháng)碳納米管，通過(guò)形成冰-碳納米管微米級直徑異質(zhì)殼芯結構，使納米級直徑碳納米管的構型在光學(xué)顯微鏡下可見(jiàn)。通過(guò)使用不同偏振激光照射該異質(zhì)殼芯結構，根據不同的表面冰層消失現象和電子衍射確定的碳納米管手性，系統研究了單根碳納米管的光吸收截面問(wèn)題?；谶@種激光誘導的部分融化現象，建立了分段的一維穩態(tài)熱傳導方程，利用通過(guò)碳納米管拉曼G模紅移確定的激光光斑邊緣位置的溫度，以及冰層邊界不變的冰的融化溫度作為邊界條件，結合碳納米管的幾何信息，計算得到不同手性的超長(cháng)懸空碳納米管的軸向熱導率在2000-6000 W K-1 m-1范圍，接近于理論計算值。相關(guān)研究結果發(fā)表在(NPG)Light： Science & Applications(2015， 4， e318; DOI： 10.1038/lsa.2015.91.)上。

　　該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院等項目的支持。

　　圖1 (左圖a， b)部分懸空超長(cháng)碳納米管樣品作為碳納米管結構-性質(zhì)測試平臺;(右圖)在窄狹縫處碳納米管結構和手性表征：(a)HRTEM圖像、(c)電子衍射圖和(b)理論模擬結果。

　　圖2 (a)碳管被激光加熱導致表面冰層的融化示意圖;(b-d)不同偏振激光導致表面冰層局部消失情況不同。

　　圖3 用一維穩態(tài)熱傳導方程計算得到的多根分立碳納米管的軸向熱導率