電子束輻照誘導雙壁碳納米管的結構不穩(wěn)定性研究.pdf

1、自從日本學者jiima于1991年發(fā)現(xiàn)了碳納米管(CNTs)以來，其獨特結構、優(yōu)異性能和潛在的應用引起了人們的廣泛關注。因此，人們對CNTs結構、性能及其應用進行了大量研究。但是由于這些研究均建立在傳統(tǒng)固體物理中大塊晶態(tài)材料的平衡、定型、線性理論或其近似理論基礎上，而CNTs相對傳統(tǒng)大塊晶態(tài)結構材料而言，具有內(nèi)稟的非平衡、非定型、非線性特性，因此研究結果就可能忽略或相當程度上低估了碳納米管的非平衡、非定型、非線性特性。相關實驗表明透射電

2、子顯微鏡(TEM)中原位電子束輻照是目前研究CNTs結構穩(wěn)定性最有效實驗方法，人們既可以借助電子束對CNTs進行結構高分辨觀察分析，同時，又可誘導CNTs結構轉變或不穩(wěn)定及加工。但是，相關文獻中有關碳納米管電鏡原位電子束輻照效應是基于傳統(tǒng)knock-on機制來考慮和解釋，沒有系統(tǒng)全面揭示對CNTs結構不穩(wěn)定性起關鍵作用的表面納米曲率效應和電子束非熱激活效應的物理本質(zhì)問題。
　　為此，在前期對電子束輻照誘導SiO(x)納米線以及單壁

3、碳納米管(SWCNT)結構不穩(wěn)定性的研究基礎上，選取雙壁碳納米管(DWCNT)作為輻照研究對象，采用TEM高能電子束原位輻照研究方法，考察了不同形態(tài)DWCNT的結構不穩(wěn)定性及其與SWCNT不穩(wěn)定性的差異。相同電子束輻照條件下實驗結果表明:(1)兩端固定的DWCNT均勻徑向收縮;(2)一端固定且另一端自由的DWCNT其自由端的半球形帽子納米曲率最大，最不穩(wěn)定，因此優(yōu)先從自由端以快速軸向收縮減少其表面能，而徑向收縮和頸縮相對慢得多;(3)而

4、對于同一觀察視場中SWCNT和內(nèi)徑與SWCNT直徑相同的DWCNT不穩(wěn)定性的比較，發(fā)現(xiàn)DWCNT增加一層管壁，碳管的收縮速率減慢，穩(wěn)定性增強。此外，在兩端固定DWCNT的頸縮過程中還觀察到了因管應力或結構不均及管表面污染引起的DWCNT局域優(yōu)先頸縮向SWCNT轉變過程。
　　以上實驗表明，同納米線以及SWCNT一樣，表面納米曲率效應和電子束非熱激活對DWCNT結構不穩(wěn)定性起著關鍵影響。而對DWCNT而言，其外層管壁會對內(nèi)層管壁碳原

5、子的移位或逃逸起動力學阻礙作用，但內(nèi)層管壁較小的直徑代表較大的曲率，其碳原子熱力學較不穩(wěn)定，活性更高，從而驅動碳原子發(fā)生移位或從外層管壁缺陷處逃逸蒸發(fā)掉。因此，電子束輻照下DWCNT會發(fā)生相對緩慢收縮。從以上實驗現(xiàn)象出發(fā)，進一步從現(xiàn)有文獻中經(jīng)常忽略或低估的廣義的低維納米結構納米曲率效應和能量束非熱激活效應對DWCNT結構不穩(wěn)定性進行了深入分析討論和模擬，并給出了較系統(tǒng)、全面的解釋。論文揭示了DWCNT表面納米曲率效應及其電子束非熱激活效