基于有序碳纳米管模板的功能氧化物的制备和器件应用研究

Carbon nanotubes (CNTs) and nano-sized functional oxides are two attractive materials. The combination of them would guarantee mutual-benefit of these two advanced materials and broaden their applications accordingly. Perfect combination could be achieved by using aligned CNT films, directly spun from the super-aligned CNT arrays, as templates. Two important aspects will be addressed in this proposal. First, nano-sized oxides with thermal-sensitive and phase transition functions. The integration with CNT will provide them ultra small heat capacity and fast thermal response. Second, the super-aligned CNT films are ordered conductive networks, which could provide abundant conductive channels for functional oxides. Such networks will improve the performances of functional oxide electrodes in supercapacitors. Importantly, the macroscopic super-aligned CNT film is well compatible with the semiconductor process. This characteristic would ensure the low-cost and large-scale production of CNT/functional oxide composites. Finally, plenty of interfaces and strong interactions between CNTs and functional oxides would lead to a rich number of physical and chemical phenomena. Therefore, these composite materials deserve further scientific exploration with respect to interfacial effects, mechanical interactions, and performance optimization.

碳纳米管和纳米功能氧化物是纳米科技领域受到广泛关注的两类重要材料。利用从超顺排碳纳米管阵列抽出的有序碳纳米管薄膜当作模板将有可能实现这两种先进纳米材料的完美结合，形成优势互补，拓展它们的应用领域。首先，利用这种模板可以发展超薄且自支撑的碳管-氧化物复合纳米结构，能赋予有热敏或相变特性的纳米氧化物极小的热容和快速的热响应；其次，超顺排碳纳米管薄膜是一种有序的导电网络，它的引入会给功能氧化物提供丰富的导电通道，提升纳米功能氧化物作为超极电容器电极的性能；再次，超顺排碳纳米管薄膜具有宏观尺度并与半导体工艺有良好的兼容性，这将有力促进碳管-功能氧化物复合纳米结构的低成本大规模可控制备；最后，碳纳米管与功能氧化物之间会形成丰富的界面结构和强的相互作用，使这一体系的界面效应、应力以及性能优化成为值得探索的科学问题。

碳纳米管和纳米功能氧化物是纳米科技领域受到广泛关注的两类重要材料。利用从超顺排碳纳米管阵列抽出的有序碳纳米管薄膜当作模板将有可能实现这两种先进纳米材料的完美结合，形成优势互补，拓展它们的应用领域。.项目实现了功能纳米材料在有序碳纳米管模板上的可控制备和器件应用。制备了多种碳纳米管与功能氧化物的复合纳米结构，包括VO2/石墨烯/碳纳米管复合薄膜、碳纳米管/VO2复合薄膜以及VO2/碳纳米线圈复合纳米结构、柔性自支撑金属氧化物纳米管薄膜、贵金属与碳纳米管薄膜的复合纳米结构；在应用方面进行了一系列的尝试，包括VO2/石墨烯/碳纳米管复合薄膜在红外隐身中的应用、碳纳米管/VO2复合薄膜驱动器、基于二氧化钒/碳纳米线圈复合结构光致驱动器、基于VO2相变特性的可重构光学平台、金属氧化物纳米管湿度传感器、贵金属/碳纳米管复合锂氧电池电极。这些研究充分展现了项目提出的复合纳米结构的优越性。.受项目需求的驱动和项目成果启发，我们还开展了一些与碳纳米管相关的研究，并取得了重要成果。发展了冰辅助转移碳纳米管阵列技术；研究了碳纳米管生长过程中电荷的产生和转移；研究了单壁碳纳米管扫描电镜成像机理；发展了碳纳米管图形化衬底技术，提高了氮化镓外延薄膜的质量；提出并实现了闪蒸印刷术，并成功制备了钙钛矿薄膜及器件；将碳纳米管与二维材料结合，提出并研究了碳纳米管和二维材料的异质结。.项目所取得的这些重要成果充分证明：碳纳米管薄膜与半导体工艺具有良好的兼容性，项目所发展的材料将能实现低成本大规模可控制备；碳纳米管与功能氧化物的结合能呈现出丰富的协同效应，使复合结构具备新的特性和更多的应用领域；碳纳米管与功能纳米材料的有效结合是值得深入探索的重要课题。