准一维碳纳米线圈的导电机制及其光、热、力响应研究

Quasi one-dimensional carbon nanocoils, due to their peculiar morphologies and nanometer sizes, are expected to generate a novel optical, thermal, mechanical and electrical properties, which have potential applications in electronic nanodevices, micro/nano electromechanical systems(MEMS/NAMS). The world-wide studies on physical properties of carbon nanocoils are still at the starting stage. These studies have revealed some interesting mechanical, thermal, conductive, and electron structural properties, but they are scattered and not systemic. Focusing on the conductivity of an individual carbon nanocoil and basing on the material and electronic structures of carbon nanocoils, a series of experiments on the conductivity of an individual carbon nanocoil and its optical, thermal and mechanical responses will be carried out in this project. Multi-scaled simulations will be also adopted to reveal the novel physical properties aroused by the quasi one-dimensional helix and unique polycrystalline-amorphous system, especially the atomic structures and the corresponding electronic structures, as well as the generated responding properties of electroconductive, photoconductive, thermal conductive, and electromechanical responses. On the base of these results, we try to construct a comprehensive and fundamental physics of carbon nanocoils. These researches will not only enrich our understanding to the fundamental physics of low-dimensional carbon nanomaterials, but also be expected to discover some new phenomena and effects in nanoscale. Moreover, these researches will also provide basic devices and elemental units for the new generation MEMS/NAMS and other nanodevices.

准一维碳纳米线圈，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，在纳米电子器件、微纳机电系统中都极具潜在的应用前景。国际上对碳纳米线圈的物理特性研究尚处于起步阶段，揭示了一些有趣的力学、导电、导热和电子结构特性，但是很不系统。本项目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，通过实验与理论相结合，对单根碳纳米线圈的导电性及其光、热、力响应等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、光电、热电、力电响应特性，从而构建出碳纳米线圈整体基础物理图像。这些研究，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，也将为发展新一代微纳机电系统和其它纳米器件提供基础器件和构造基元。

本项目针对碳纳米线圈特异的空间螺旋构象和多晶-非晶的结构特点，对其生长条件和形态结构的关系、光热力电特性和电子结构的关系以及潜在的应用进行了广泛系统的研究。. 首先，通过改变反应时间和催化剂薄膜的厚度以及衬底的加工实现了碳纳米线圈的形貌和长度的调控。进而采用绿色环保的植物纤维衬底以及氧化铝小球衬底高效、经济地合成了碳纳米线圈，为可控、大量制备碳纳米线圈打下了基础。. 本项目重点对碳纳米线圈的光热力电特性及相互转化机制进行了深入细致的研究。首先对单根碳纳米线圈的导电性进行了测试，研究了其温度特性、结构特性以及相互关系，深入分析了碳纳米线圈的导电机制，揭示了由于准一维的螺旋性和独特的多晶-非晶体系而产生的新奇电子变程跳跃传导机理。在此基础上对碳纳米线圈的声子传输特性进行了研究，利用稳态时碳纳米线圈的红外光谱及其温度分布、瞬态电流的变化等全新的测试方法，计算出碳纳米线圈的热导率和热扩散系数，并对线圈的热特性和导电性及结构特性的关系进行了深入分析。进而对碳纳米线圈的红外光响应进行了系统研究，揭示了光热转化和电阻变化的关系，为制作新型红外探测装置提供了新的思路和方法。随后研究了静电诱导和脉冲光诱导碳纳米线圈的振动特性，从理论和实验上提出了测量悬臂梁共振频率的新方法，并精确测出碳纳米线圈的杨氏模量、共振频率等机械参数。在此基础上，研究了单根碳纳米线圈及其金属复合体系的导电应变响应，发现该体系具有拉伸传感特性，在可穿戴设备以及微纳机电系统等方面有着很大的应用潜力。. 本项目还在碳纳米线圈的应用研究上进行了尝试，利用碳纳米线圈的空间螺旋形态和优异的分散性，通过和Ag纳米粒子的复合制成高灵敏度SERS衬底，通过和二氧化锰纳米粒子复合制成超级电容器电极，并利用其优异的机械特性制成液体表面张力测试系统。同时，对石墨烯材料的制备及其在超级电容器中的应用也开展了拓展性研究，并取得了良好的结果。