Keithley在碳納米管森林涂層纖維復合材料的應用

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碳納米管森林由許多垂直生長的碳納米管組成，看起來像一個“森林”，因此得名。每個碳納米管（CNT）是由單層或多層石墨烯片卷曲形成的圓筒結構，其直徑在納米級別，長度可以達到數(shù)微米甚至數(shù)毫米。碳納米管森林中的這些納米管密集排列，垂直生長于基底上。

碳納米管涂層纖維的特點

高比表面積：碳納米管森林有巨大的表面積，有助于提高催化、傳感、儲能等方面的性能。

優(yōu)異的力學性能：碳納米管具有極高的強度和韌性。

電學與熱學性能：它們表現(xiàn)出優(yōu)異的導電性和導熱性。

CNT涂層纖維的應用

能源領域：用于鋰離子電池、電容器、太陽能電池等。

傳感器：制成高靈敏度的化學傳感器、壓力傳感器等。

電子器件：用作場效應晶體管、導電材料等。

復合材料：增強聚合物、金屬等材料的力學性能。

CNT涂層纖維的關鍵參數(shù)

壓阻（Piezoresistance）

CNT 的壓阻特性可以應用于高靈敏度傳感器，用于制造高靈敏度的壓力傳感器和應變傳感器。這些傳感器可以檢測微小的壓力或形變變化；可以制成柔性薄膜 , 結合其壓阻特性 , 可用于開發(fā)柔性觸摸屏、可穿戴設備等柔性電子產(chǎn)品；在鋰電池等能源存儲設備中 , 碳納米管可作為導電劑 , 其壓阻特性可用于監(jiān)測電池內(nèi)部壓力變化 , 提高電池安全性等。

壓阻特性受到 CNT 的直徑、密度、內(nèi)部連通性和均勻性等參數(shù)的影響。例如 CNT(5-30 nm) 比較大直徑的 CNT(50-70 nm) 具有更高的柔韌性和更多的 CNT- CNT 接觸 , 有利于提高壓阻靈敏度。CNT 密度越高 ,CNT-CNT 接觸越多 , 有利于形成更好的導電通路 , 從而提高壓阻靈敏度。

接觸電阻（Contact Resistance）

接觸電阻是影響 CNT 傳感器靈敏度的主要因素。模擬結果表明 ,CNT- 電極接觸點的數(shù)量增加會顯著降低整體電阻 , 這是導致靈敏度較高的主要原因。相比之下 ,CNT-CNT 內(nèi)部接觸點的增加對整體電阻的影響要小得多。

對于相對較短的碳納米管森林，接觸電阻和固有電阻的變化是平衡的，而對于較高的碳納米管森林，響應主要由碳納米管電極接觸電阻主導。這些結果有望指導壓阻式流量傳感器和觸覺傳感器的設計。

光熱電壓(Photothermoelectric, PTE)

光熱電壓是指當材料受到光照時產(chǎn)生的熱電壓。碳納米管薄膜 (CNT Film) 由于其獨特的一維結構和優(yōu)異的光學、熱學和電學性質(zhì) , 可能表現(xiàn)出顯著的光熱電效，可以產(chǎn)生光熱電效應 , 即當受到光照時會產(chǎn)生溫度差 , 進而產(chǎn)生熱電壓。這種光熱電轉(zhuǎn)換特性可以用于開發(fā)自供電的中紅外探測器。這種基于光熱電效應的探測器具有寬頻帶、自供電等優(yōu)點 , 為工業(yè)監(jiān)測和可穿戴傳感器等應用提供了新的機會。

案例一：如何測試碳納米管森林的接觸電阻和內(nèi)在電阻

將 CNT 涂層纖維放置在具有交錯電極的基板上 , 使用納米壓痕儀施加 10 mN 的最大壓力。使用數(shù)字萬用表同時記錄纖維的位移、力和電阻。通過測量電極間的電壓差和電流 , 可以得到總電阻。總電阻是接觸電阻和內(nèi)在電阻的綜合體現(xiàn)?？傠娮桦S著 CNT- 電極接觸點的增加而近乎線性增加 , 表明接觸電阻是主導因素。

通過設置與電極接觸的 CNT 節(jié)點的電壓等于電極的電壓 , 可以計算出接觸電阻。這種計算方式考慮了 CNT-電極接觸的影響。內(nèi)阻是由 CNT-CNT 接觸數(shù)量決定的。通過設置與電極接觸的 CNT 節(jié)點的電壓等于電極電壓 , 可以計算出內(nèi)在電阻。短 CNT 森林的內(nèi)在電阻在壓縮過程中會快速下降 , 這一變化速度可能大于接觸電阻的變化。

實驗和模擬結果表明 ,CNT- 電極接觸是導致最大電阻變化的機制。相對于 CNT-CNT 接觸 ,CNT- 電極接觸對總電阻的影響更為顯著。

案例二：基于MXene電子的碳納米管森林大面積立式光熱電探測器系統(tǒng)設計

如何進行基于碳納米管森林和 MXene 電極的大面積垂直光熱電 (PTE) 探測器的系統(tǒng)設計？PTE探測器結合光熱和熱電轉(zhuǎn)換 , 實現(xiàn)有效的紅外檢測 , 克服了帶隙限制。該研究提出了利用碳納米管森林和MXene作為頂部電極的垂直PTE探測器 , 展示了敏感的紅外檢測和快速響應。

該測試使用Keithley 6487 和Keithley 6500測量 I-V 曲線，使用Keithley 6500 測量電阻。測量I-V 曲線可以用于表征器件的電學性能；測量電阻可以用于評估器件的導電性能。這些測量有助于理解器件的工作機理 , 并優(yōu)化器件的性能，測量電阻還可以用于監(jiān)測器件在使用過程中的穩(wěn)定性。

案例三：基于致密化碳納米管森林和生物的導電3D納米生物雜化系統(tǒng)

本文介紹了使用致密碳納米管 (CNT) 森林與活細胞集成的導電 3D 納米生物混合系統(tǒng)的發(fā)展 , 應用于生物電子學和生物機器人領域。研究發(fā)現(xiàn)導電生物混合細胞 - 材料系統(tǒng)對于器官芯片系統(tǒng)和肌肉執(zhí)行器等各種應用很重要。目前的導電支架在導電性或結構上受到限制 , 突出了 3D 生物混合系統(tǒng)的需求。選擇碳納米管 (CNT) 森林是因為它們具有獨特的性質(zhì) , 包括高電導率和良好的機械適應性。該研究開發(fā)了具有增強細胞相容性的 CNT 森林支架 , 并證明了細胞的存活和功能。CNT 森林上的明膠涂層導致了密集化并形成了 3D 結構 , 為細胞生長和擴散提供了合適的支架。這項研究有助于先進生物混合系統(tǒng)的發(fā)展 , 并具有廣泛的應用前景。

文中使用 Keithley 4200A-SCS 參數(shù)分析儀進行四探針測試法，來測量 CNT 森林的電導率。通過測量兩個內(nèi)探針之間的電壓降 , 并結合電流的線性掃描 , 計 算出樣品的電阻和電導率。這種四探針測試法可以準確測量材料的電導率 , 不受電極接觸電阻的影響，以此來評估 CNT 森林的電學性能，高精度高可靠的確保提高細胞與 CNT 之間的電子和離子傳輸能力。

四探針測試功能以及數(shù)據(jù)

測試方案

泰克吉時利作為小信號領域的測試專家，提供豐富的產(chǎn)品助力碳納米管復合材料的研究。

擁有集高精度、高分辨率數(shù)字萬用表 、圖形觸摸屏顯示器和高速、高分辨率數(shù)字化器于一身的圖形采樣萬用表。以及電流分辨率低至 1fA 的皮安表，其支持測量高達 20mA 的電流，比如測量 4-20mA 傳感器回路。也支持高吞吐量生產(chǎn)測試需求，最高每秒 1,000 個讀數(shù)。還有專業(yè)內(nèi)性能領先的 4200A-SCS 電學特性參數(shù)分析儀，提供同步電流電壓曲線測試 (I-V 曲線測試 )、電容-電壓曲線測試 (C-V 曲線測試 ) 和超快脈沖 I-V 曲線測量。