電子束輻照誘導(dǎo)雙壁碳納米管的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性研究.pdf

1、自從日本學(xué)者jiima于1991年發(fā)現(xiàn)了碳納米管(CNTs)以來，其獨特結(jié)構(gòu)、優(yōu)異性能和潛在的應(yīng)用引起了人們的廣泛關(guān)注。因此，人們對CNTs結(jié)構(gòu)、性能及其應(yīng)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(chǔ)上，而CNTs相對傳統(tǒng)大塊晶態(tài)結(jié)構(gòu)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(jié)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(guān)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)高分辨觀察分析，同時，又可誘導(dǎo)CNTs結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變或不穩(wěn)定及加工。但是，相關(guān)文獻中有關(guān)碳納米管電鏡原位電子束輻照效應(yīng)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(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用的表面納米曲率效應(yīng)和電子束非熱激活效應(yīng)的物理本質(zhì)問題。
　　為此，在前期對電子束輻照誘導(dǎo)SiO(x)納米線以及單壁

3、碳納米管(SWCNT)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性的研究基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)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(jié)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(yīng)力或結(jié)構(gòu)不均及管表面污染引起的DWCNT局域優(yōu)先頸縮向SWCNT轉(zhuǎn)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(yīng)和電子束非熱激活對DWCNT結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性起著關(guān)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(xué)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(xué)較不穩(wěn)定，活性更高，從而驅(qū)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(jié)構(gòu)納米曲率效應(yīng)和能量束非熱激活效應(yīng)對DWCNT結(jié)構(gòu)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(yīng)及其電子束非熱激活效