单根多晶-非晶碳纳米线圈的电学性质的研究

摘要

准一维碳纳米线圈(CNCs)，由于其特异的空间构象和纳米尺度，有望产生新奇的光、热、力、电特性，特别是在纳米电子器件以及微纳机电系统领域都极具应用前景。国际上对碳纳米线圈的特性研究尚处于起步阶段，仅仅揭示了一些基本的力学、电学、热学和电子结构方面的特性，但是研究很不系统。特别是对于单根多晶-非晶碳纳米线圈(CNC)的导电性的研究不够深入，碳纳米线圈在纳米传感器等方面的应用都依赖于其导电性的变化，因此，对于碳纳米线圈的导电性的研究意义重大。本文以单根碳纳米线圈的导电性为中心，以物质结构和电子结构两方面研究为基础，将实验与理论结合，对单根碳纳米线圈的导电性开展一系列的实验测量，结合多尺度计算模拟，揭示由于准一维的螺旋性和独特的多晶-非晶体系带来的新奇物理特性，特别是原子结构和相应的电子结构、以及由此而产生的电导率响应特性，从而构建出碳纳米线圈整体基础物理图像。这项研究，将不仅丰富我们对于低维碳纳米材料基础物理的认识，而且有望揭示某些纳米尺度上的新现象和新效应，也将为发展新一代的微纳机电系统等纳米器件提供基础器件和构造基元。
　　本文首先使用二次磁控溅射和光刻的方法制作出所需要的载有单根CNC的四电极样品，电极材料为Ti/Pt/Cr，将单根碳纳米线圈压在Pt与Cr之间确保接触良好，对单根CNC在不同的温度下的电阻进行测量，温度范围是从4到445 K，得到单根CNC电阻与温度的图像，通过计算得到单根CNC的结构与电阻率及温度的关系，综合Mott电子变程跃迁和Efros-Shklovskii电子变程跃迁的理论，进行理论分析。研究发现，碳纳米线圈的电阻率与其线径有关，线径越小，晶粒尺寸越大，结晶性越好，电阻率越小，电子在晶粒边缘传输会发生导电模式的转换，在低温范围内4到20 K，电子的跃迁符合Efros-Shklovskii变程跃迁，特征温度约为15K;在温度范围80到300 K内，单根CNC的电子的跃迁符合Mott变程跃迁，此时特征温度约为2500 K;在这两个温度范围之间，存在一个过渡的温度区域，研究发现，这与CNC的结晶性有关，碳纳米线圈的结晶性越好，此过渡温区越窄，反之越大。对于在温度范围300到445 K内，电子的跃迁符合最近局域态跃迁。

目录

声明

摘要

引言

1 碳的纳米形态-碳纳米管与碳纳米线圈

1．1 碳纳米管简介

1．1．1 碳纳米管的发现及研究背景

1．1．2 碳纳米管的分类

1．1．3 碳纳米管的制备

1．1．4 碳纳米管的性质及应用

1．2 碳纳米线圈简介

1．2．1 碳纳米线圈的发现及研究背景

1．2．2 碳纳米线圈的制备

1．2．3 碳纳米线圈的性质及应用

1．3 目前碳纳米线圈导电性存在的问题

2 制作四电极基板

2．1 光刻

2．1．1 光刻原理

2．1．2 光刻的工艺流程

2．1．3 小结

2．2 磁控溅射

3 电学测量方法与变程跳跃电导

3．1 四探针电学测试方法

3．2 变程跳跃电导Mott模型与Efros-Shklovskii模型

4 样品的制备

4．1 成长碳纳米线圈

4．2 提纯碳纳米线圈

4．3 转移碳纳米线圈

5 实验结果与讨论

5．1 碳纳米线圈的线径、螺径与螺距的统计

5．2 通过拉曼光谱估计晶粒大小

5．3 通过透射电镜图片来确定晶粒大小

5．4 低温条件下电学性质的测试与分析

5．5 高于室温的电学性质与分析

5．6 小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢