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运输性质

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科学家深入研究碳纳米管

一,二和三层碳壁

双层和三层碳纳米管(CNT)的外壁可保护最内层的管免于与环境相互作用。这是美国,德国和日本的研究人员进行的一项研究的关键发现,他们使用共振拉曼光谱法对三壁碳纳米管进行了首次详细检查。外层提供的保护使对细管的研究比以往任何时候都更加深入,这对于那些使用CNT创造新技术的人来说是一个福音。

单壁碳纳米管(SWCNT)就像一个很小的吸管,其壁只有一个碳原子厚。双层碳纳米管(DWCNT)由通过弱范德华相互作用耦合在一起的两个同心SWCNT组成。内管和外管可以是半导体的也可以是金属的。但是,由于外管与周围环境直接接触,因此很难获得有关其基本物理特性的准确信息。

第三墙保护第二墙

为了更好地了解DWCNT中的外管,麻省理工学院的Thomas Hirschmann和Paulo Araujo及其同事研究了单个和成束的三壁碳纳米管(TWCNT)。 TWCNT可以看作是包裹在SWCNT周围的DWCNT。研究人员发现,额外的外管可以保护两个内管不与周围环境发生相互作用,从而可以对它们进行更精确的研究。展开的TWCNT可以被认为是三层石墨烯带,并具有这种碳材料所具有的所有出色的电子和机械性能。

该团队由麻省理工学院领导’的Mildred Dresselhaus以及来自汉堡大学,长冈工业大学和信州大学的科学家。研究人员使用了非常快速但灵敏的拉曼光谱仪,使他们能够在相同的实验条件下用不同的激光线检测和表征相同的单个TWCNT。“世界上只有少数几个小组配备了这种能够以这种方式表征单个CNT的仪器,” said Hirschmann.

墙到墙测量

“这些分析使我们能够研究基本属性,例如管间机械耦合,壁到墙(WtW)距离,金属性和曲率相关的管间相互作用,” he explained. “此类知识对于利用这些纳米结构的技术应用至关重要。”

研究人员详细描述了五个单独的TWCNT,发现所有样品中两个内管之间的WtW距离为0.323至0.337 纳米这些值大于先前研究的DWCNT中观察到的WtW距离(0.284–0.323 nm)。该距离也更接近石墨烯的层间距离(0.335 nm).

“我们还发现,管间相互作用对最里面的纳米管有不同的影响,这取决于它们具有的金属性,并且管之间的可疑的机械耦合‘呼吸模式’即使相对短的WtW距离为0.323,也不存在同心纳米管的RBM或RBM nm,” added Hirschmann. “这是一项重要发现,表明尽管TWCNT是混合系统,但这些管本身大多彼此独立。”

信息财富

他解释说,RBM是CNT最重要的光谱特征,已知其振动频率与管径成反比。这些所谓的一阶拉曼特征提供了有关这些纳米材料的电子和振动结构的大量信息。

“我们的分析还为范德华力调解了同心有序CNT(例如DWCNT和TWCNT)中的相互作用提供了更多信息,” said Araujo. “这些低能量的相互作用对于技术应用很重要,因为它们会影响电子管的电子和振动特性。”

该团队现在正忙于分析多壁碳纳米管系统中的屏蔽现象和管间相互作用效应。在此,管间相互作用不仅会影响所测量的RBM,还会影响其他拉曼特征。“我们的主要目标之一是通过控制纳米管壁之间的相互作用,找到生长CNT的更好条件,” said Hirschmann. “为此,我们正在与信州大学的Yoong Ahm Kim及其同事密切合作,他们是合成这些纳米材料的专家。”

该研究描述于 ACS纳米.

版权©2020年由IOP 出版 Ltd和个人贡献者