單根懸空單壁碳納米管光學(xué)可見化及本征探測獲進展

　　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(jié)構(gòu)，人們往往需要在光學(xué)顯微鏡下定位某個碳納米管才能進行光譜表征和器件構(gòu)筑。傳統(tǒng)的使用掃描電子顯微鏡來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)可見化可以滿足人們的需求。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，雖然實現(xiàn)了光學(xué)顯微鏡下的可見化，卻可能導(dǎo)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)極易受到周圍環(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(jié)構(gòu)的平均信息，更無法分析碳納米管的結(jié)構(gòu)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，剔除襯底和周圍環(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(dǎo)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(jié)構(gòu)不一，實驗上測得碳納米管的熱導(dǎo)值差異很大。除了碳納米管的結(jié)構(gòu)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題。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實驗室(籌)先進材料與結(jié)構(gòu)分析實驗室“納米材料與介觀物理”研究小組(A05組)，多年來一直致力于碳納米管的制備、物性與應(yīng)用研究。在以往工作的基礎(chǔ)上，該課題組解思深院士指導(dǎo)的博士生張霄等人發(fā)展了一種可逆、持久且無損的單根懸空單壁碳納米管光學(xué)可見化與本征物理性質(zhì)探測的方法(中國發(fā)明專利，申請?zhí)?01410682661.7， 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)可見化及其本征光學(xué)、熱學(xué)性質(zhì)研究中取得重要進展。

　　基于部分懸空的超長碳納米管，通過形成冰-碳納米管微米級直徑異質(zhì)殼芯結(jié)構(gòu)，使納米級直徑碳納米管的構(gòu)型在光學(xué)顯微鏡下可見。通過使用不同偏振激光照射該異質(zhì)殼芯結(jié)構(gòu)，根據(jù)不同的表面冰層消失現(xiàn)象和電子衍射確定的碳納米管手性，系統(tǒng)研究了單根碳納米管的光吸收截面問題?；谶@種激光誘導(dǎo)的部分融化現(xiàn)象，建立了分段的一維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)方程，利用通過碳納米管拉曼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(jié)合碳納米管的幾何信息，計算得到不同手性的超長懸空碳納米管的軸向熱導(dǎo)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(jié)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)部分懸空超長碳納米管樣品作為碳納米管結(jié)構(gòu)-性質(zhì)測試平臺;(右圖)在窄狹縫處碳納米管結(jié)構(gòu)和手性表征：(a)HRTEM圖像、(c)電子衍射圖和(b)理論模擬結(jié)果。

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

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