填充型碳纳米管复合材料的结构-物性关系：TEM-SPM原位研究

对单根碳纳米管同时进行物性测量和微结构表征，理解其结构与物性的直接对应关系，是碳纳米管研究领域一个基本且迫切需要的研究课题。本项目拟将使用TEM-SPM一体化（即将扫描探针显微镜集成在TEM样品台上，可以在TEM中对单个样品同时进行结构分析和SPM物性研究，实现其结构与物性的对应）的原位研究方法，主要研究内容包括：将以一类金属硫化物填充的碳纳米管复合材料为研究对象，在TEM中原位分析其电子输运性和力学特性；调查应力作用下电子输运性的变化及机理；研究电输运过程中填充物的稳定性、以及碳纳米管变形与断裂过程中缺陷的产生、管内填充物与管壁的协同作用过程；将实时、原位分析碳纳米管复合材料在强电/力场作用下的微结构演变和物性变化规律等。研究目的在于建立碳纳米管及内部填充物的"微结构"与其"力学"、"电子输运性"之间的关联性并理解其机理，促进碳纳米管材料在纳电子器件、纳米力学装置方面的应用研究。

本项目中首先对填充型碳纳米管的制备工艺进行了研究，首次以不锈钢片为催化剂和载体，以二甲硫醚为碳源，一步合成了Fe7S8-Ni17S18填充的碳纳米管三元复合材料；进而利用二茂铁为催化剂前驱体对二氯苯为添加剂一步合成了Fe-Fe3C填充的碳纳米管复合材料，对产物的微观结构和生长机理进行了讨论。其次，使用TEM-SPM 一体化的原位研究方法，对金属硫化物填充的单根碳纳米管的电学性质进行了研究，发现呈现非线性电子输运特性；当电流较大时金属硫化物会分解蒸发，与碳纳米管相互作用形成富勒烯球的新现象；当碳纳米管中没有金属硫化物时，碳纳米管的I-V曲线为线性，揭示了金属硫化物对碳纳米管电子输运的调制作用。进一步使用原位TEM-SPM方法对Fe3C填充的碳纳米管进行了研究，发现扫描电压增大，碳纳米管的微观结构会由于焦耳热的作用逐渐破坏，但是其导电性却大大提高；这主要是由于接触电阻减小和碳纳米管的石墨化程度提高导致的；在焦耳热的作用下，Fe3C会分解形成石墨烯结构，使其导电性得以大大改进。另外，对碳纳米管产物的电磁与微波吸收、光学性能也进行了研究。在本项目的支持下，在J.Phys.Chem. C (2篇)，Synthetic Metals，Applied Physics A，CrystEngComm, J. Mater. Chem.等期刊发表论文11篇，申请专利2项。