电子束辐照诱导双壁碳纳米管的结构不稳定性研究

摘要

自从日本学者jiima于1991年发现了碳纳米管(CNTs)以来，其独特结构、优异性能和潜在的应用引起了人们的广泛关注。因此，人们对CNTs结构、性能及其应用进行了大量研究。但是由于这些研究均建立在传统固体物理中大块晶态材料的平衡、定型、线性理论或其近似理论基础上，而CNTs相对传统大块晶态结构材料而言，具有内禀的非平衡、非定型、非线性特性，因此研究结果就可能忽略或相当程度上低估了碳纳米管的非平衡、非定型、非线性特性。相关实验表明透射电子显微镜(TEM)中原位电子束辐照是目前研究CNTs结构稳定性最有效实验方法，人们既可以借助电子束对CNTs进行结构高分辨观察分析，同时，又可诱导CNTs结构转变或不稳定及加工。但是，相关文献中有关碳纳米管电镜原位电子束辐照效应是基于传统knock-on机制来考虑和解释，没有系统全面揭示对CNTs结构不稳定性起关键作用的表面纳米曲率效应和电子束非热激活效应的物理本质问题。
　　为此，在前期对电子束辐照诱导SiO(x)纳米线以及单壁碳纳米管(SWCNT)结构不稳定性的研究基础上，选取双壁碳纳米管(DWCNT)作为辐照研究对象，采用TEM高能电子束原位辐照研究方法，考察了不同形态DWCNT的结构不稳定性及其与SWCNT不稳定性的差异。相同电子束辐照条件下实验结果表明:(1)两端固定的DWCNT均匀径向收缩;(2)一端固定且另一端自由的DWCNT其自由端的半球形帽子纳米曲率最大，最不稳定，因此优先从自由端以快速轴向收缩减少其表面能，而径向收缩和颈缩相对慢得多;(3)而对于同一观察视场中SWCNT和内径与SWCNT直径相同的DWCNT不稳定性的比较，发现DWCNT增加一层管壁，碳管的收缩速率减慢，稳定性增强。此外，在两端固定DWCNT的颈缩过程中还观察到了因管应力或结构不均及管表面污染引起的DWCNT局域优先颈缩向SWCNT转变过程。
　　以上实验表明，同纳米线以及SWCNT一样，表面纳米曲率效应和电子束非热激活对DWCNT结构不稳定性起着关键影响。而对DWCNT而言，其外层管壁会对内层管壁碳原子的移位或逃逸起动力学阻碍作用，但内层管壁较小的直径代表较大的曲率，其碳原子热力学较不稳定，活性更高，从而驱动碳原子发生移位或从外层管壁缺陷处逃逸蒸发掉。因此，电子束辐照下DWCNT会发生相对缓慢收缩。从以上实验现象出发，进一步从现有文献中经常忽略或低估的广义的低维纳米结构纳米曲率效应和能量束非热激活效应对DWCNT结构不稳定性进行了深入分析讨论和模拟，并给出了较系统、全面的解释。论文揭示了DWCNT表面纳米曲率效应及其电子束非热激活效应物理本质，进一步证实了纳米曲率和能量束诱导“声子”软模和“点阵”失稳概念的普适性:能够用来统一预言和解释能量束辐照下各种低维纳米结构的不稳定性和纳米加工。