基于碳纳米管的新型纳微结构的制备及应用研究

碳纳米管是性能优异的一维纳米材料，其研究受到了广泛关注，近期一些研究进展表明以碳纳米管作为基础材料构建新的纳微结构是其应用基础研究的一个重要方向，有可能对碳纳米管的应用带来深远影响。本项目将主要立足于我们课题组已经初步制备的一些独特的具有应用前景的基于碳纳米管的纳微结构，包括真空熔断碳纳米管获得的针尖状纳微结构，碳纳米管与微电缆的复合纳微结构，以及从这些结构衍生的新的纳微结构。以这些新颖结构为出发点进一步展开具体深入的研究，系统全面的攻克这些全新结构的制备、性能表征将会遇到的新的难点，阐明研究过程中发现的关键科学问题，发掘这些全新的纳微结构的在场发射电子源、扫描探针显微镜探针、高性能微电缆、微反应器等领域的应用潜力。在该方向的持续深入研究将会使我们在碳纳米管应用领域掌握更多的领先技术，获得创新的自主知识产权。

碳纳米管因其独特结构和优异性能而备受关注，如大的长径比、良好的导电导热性能、高的机械强度等。通过这些年的不断探索，人们已经发展出一些具有宏观尺度的碳纳米管材料，如多壁碳纳米管阵列、连续碳纳米管薄膜、水平单壁碳纳米管阵列、超长碳纳米管等，这些由碳纳米管构成的宏观材料适合进一步的加工和工艺处理，使碳纳米管成为可以广泛应用的基础纳米材料。在此基础上我们提出基于碳纳米管的新型纳微结构的制备及应用研究这一课题，希望能用碳纳米管构筑一些具有优异性能和潜在应用前景的纳微结构。结合碳纳米管具备的优异性能我们初步提出了两个具体的研究内容：场发射和复合纤维，这两项研究内容均得以顺利开展。我们发展出高效的用激光加工碳纳米管薄膜和碳纳米管长线来制备碳纳米管微尖的技术，批量制备出具有发夹形状的碳纳米管热场发射微尖，将碳纳米管微尖集成到具有平面场发射结构的场发射显示器中实现了字符显示。我们用氧反应离子刻蚀工艺对超顺排碳纳米管阵列进行表面处理，在碳纳米管的表面修饰含氧官能团，以提高从碳纳米管阵列中纺出的碳纳米管纤维与聚乙烯醇的复合效果，将碳纳米管复合纤维的强度从1.3GPa提升至2.2GPa。在前期成果的基础上我们提出并尝试了更多的基于碳纳米管的新型纳微结构，开展了相关应用研究。将碳纳米管薄膜悬空设置在图形化的衬底上，用激光加工和乙醇雾化处理可以制备出碳纳米管细线阵列，这种新颖的细线阵列在具有快速热响应性能的同时还具备较高的结构稳定性，在碳纳米管白炽光显示器和碳纳米管热声芯片中获得了具体应用。我们还发展了具有高的电子透过率的碳纳米管-石墨烯复合薄膜、可应用在半导体照明领域的碳纳米管图形化蓝宝石衬底、碳纳米管-功能氧化物复合锂离子电池电极等等。这些新的尝试让我们收获了更多具有应用前景的碳纳米管纳微结构的同时，也为我们的下一步研究计划奠定了坚实的基础。