碳纳米管介电电泳组装技术的研究

碳纳米管由于卓越的性能成为当前纳米技术领域研究的热门材料，缺乏成熟的组装技术成为阻碍其应用的重要因素。由于介电电泳组装可在对碳纳米管进行性能筛选后进行，可组装性能优异但又有特殊制备条件要求的碳纳米管，因而成为目前具有广泛应用前景的组装方法。但介电电泳组装过程很难控制，不容易稳定地获得所需要的组装；需后续过程检查组装结果，自动化程度不高。此立项在建立适合碳纳米管组装的介电电泳模型基础上，对碳纳米管介电电泳组装过程进行数值分析，获得各过程参数对组装的影响规律，进而控制组装过程以获得稳定的组装结果。结合现有改善碳纳米管接触电阻的研究成果，利用电极间隙阻抗测量技术对碳纳米管的介电电泳组装过程和随后的改善接触电阻过程进行实时监测和控制，发掘出一套既稳定可靠又具备较高自动化程度的碳纳米管组装技术。该研究对碳纳米管在纳米电子领域的应用将起到重要的推动作用，同时也为其他先进纳米材料组装的研究提供指导。

卓越的电学、热学和力学性能使碳纳米管成为当前纳米技术研究领域的热门材料之一，缺乏成熟、高效的组装技术阻碍了碳纳米管在纳米电子、新型传感器和新能源等众多领域的应用。介电电泳组装可在对碳纳米管进行性能筛选后进行，可组装性能优异但又有特殊制备条件要求的碳纳米管，因而成为目前具有应用前景的碳纳米管组装方法。但介电电泳组装过程难于控制，不容易稳定地获得所需要的组装，需要后续过程检查组装结果，自动化程度不高。本项目对碳纳米管介电电泳组装过程进行了系统的理论与实验研究。首先，基于有效偶极矩理论，考虑“偶极子近似”条件，建立了适合于碳纳米管等纳米线材组装的介电电泳模型。在此基础上，利用COMSOL Multiphysics软件和MATLAB编程对碳纳米管介电电泳组装过程进行了数值研究，揭示了各因素对碳纳米管组装结果的影响，确定了实现稳定组装所需的条件和过程参数值，为实验研究提供了依据。其次，对介电电泳过程参数和碳纳米管尺寸包括长度、直径、长度一致性等因素对组装的影响进行了实验研究，为提高碳纳米管组装的稳定性，组装过程中必须对碳纳米管浓度和长度一致性等主要因素进行严格控制。由于接触电阻对基于碳纳米管的器件性能产生重要影响，本项目对碳纳米管的接触电阻进行了研究，提出了碳纳米管接触电阻的计算模型和计算方法，结合聚焦离子束金属沉积实验，计算出了介电电泳组装条件下的碳纳米管与金属和碳纳米管与碳纳米管之间的接触电阻阻值。同时，研究了通电产生焦耳热过程中交变电压幅值和频率以及通电时间对改善组装后碳纳米管接触电阻的影响，得出电压是主要的影响因素，施加幅值为1.5-3.5V之间的交变电压能够获得有效的降阻效果，电阻降低幅度最高可达50%。最后，本项目采用精密LCR测试仪和电极间隙阻抗测量技术对碳纳米管的介电电泳组装过程和随后的通电改善接触电阻过程进行实时监测，并利用LabVIEW程序进行过程反馈控制，发掘出了一套既稳定可靠又具备较高自动化程度的碳纳米管组装技术。本项目研究对碳纳米管在纳米电子等领域的应用将起到重要的推动作用，同时也为其他先进纳米材料的组装研究提供指导。