碳納米管裝配技術(shù)在流量傳感方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究.pdf

1、近年來，作為新興的革命性納米材料，碳納米管以其顯著的物理化學(xué)性能，得到了全世界學(xué)者們的廣泛關(guān)注?；谔技{米管的各種器件如碳納米管氣體傳感器、碳納米管場(chǎng)效應(yīng)晶體管、碳納米管微型換能器、碳納米管探針等等，無不體現(xiàn)出碳納米管廣闊的應(yīng)用潛能。本文針對(duì)目前碳納米管傳感器制作工藝中的裝配問題，分別研究了碳納米管基于硅基傳感器的介電電泳裝配方法以及基于復(fù)合材料傳感器的圖形化轉(zhuǎn)移制造工藝。
　　 本文從實(shí)驗(yàn)角度研究了碳納米管應(yīng)用于傳感器前的處理

2、工藝如提純、切斷、分散等。通過回流去除碳納米管中含有的雜質(zhì)；用強(qiáng)酸氧化的方法切斷碳納米管并測(cè)量碳納米管長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化規(guī)律； 研究了碳納米管在二甲基甲酰胺（dimethylformamide，DMF）和水溶液中的分散情況，得出碳納米管在DMF中分散的最佳濃度，以及不同表面改性劑各自濃度對(duì)碳納米管在水中分散效果的影響，SEM下觀察碳納米管基本分散成單根狀態(tài)，為研究碳納米管應(yīng)用于傳感器的裝配工藝提供了基礎(chǔ)。從理論角度研究了碳納米管流量傳感的

3、原理，為裝配工藝實(shí)現(xiàn)碳納米管流量傳感器的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證提供了理論基礎(chǔ)。在充分理解碳納米管流量傳感理論模型發(fā)展的基礎(chǔ)上，利用基于密度泛函理論的第一性原理計(jì)算方法，分析了碳納米管應(yīng)用于流量測(cè)量時(shí)，與測(cè)試流體中的水分子、鈉離子、氫離子、氯離子等的吸附作用，并預(yù)測(cè)了粒子對(duì)傳感特性的影響。分別從理論和實(shí)驗(yàn)角度研究了碳納米管硅基傳感器的介電電泳裝配技術(shù)，并從實(shí)驗(yàn)角度研究了碳納米管復(fù)合材料傳感器的圖形化轉(zhuǎn)移制造方法。從理論出發(fā)，應(yīng)用COMSOL Multi

4、physics 多物理場(chǎng)耦合有限元分析軟件，模擬了介電電泳方法在硅基上裝配碳納米管及碳納米管薄膜的過程。試驗(yàn)上，在不同間距和形狀的電極對(duì)間通過介電電泳方法定向裝配碳納米管，并用SEM 觀察碳納米管介電電泳定向過程，驗(yàn)證了模擬的正確性。利用感應(yīng)加熱的方法減小介電電泳定向裝配的碳納米管薄膜與金屬電極的接觸電阻。研究了接觸電阻的減小程度隨感應(yīng)加熱時(shí)間和射頻源輸出功率的變化關(guān)系。利用與MEMS 標(biāo)準(zhǔn)工藝相兼容的圖形化轉(zhuǎn)移碳納米管薄膜到聚二甲基硅

5、氧烷（polydimethylsiloxane，PDMS）表面的方法，得到了碳納米管分散均勻、電學(xué)特性穩(wěn)定的圖形化的復(fù)合薄膜傳感單元。分別用上面兩種裝配方法制備了碳納米管硅基流量傳感器以及復(fù)合材料流量傳感器，通過測(cè)試流量傳感特性驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)。實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果表明，無論是介電電泳方法裝配的定向碳納米管薄膜，還是圖形化轉(zhuǎn)移方法制備的碳納米管復(fù)合材料薄膜，其感應(yīng)電壓都隨流體流速及測(cè)試流體中離子濃度的增加而增加，得出碳納米管流量傳感機(jī)理與水分子和

6、溶液中正離子有關(guān)的結(jié)論，與分子模擬的結(jié)果相吻合。對(duì)于介電電泳方法裝配的硅基流量傳感器，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與經(jīng)驗(yàn)公式擬和結(jié)果很好，并且感應(yīng)電壓大小與介電電泳方法定向的薄膜長(zhǎng)度、致密度有關(guān)。對(duì)于圖形化轉(zhuǎn)移方法制備的復(fù)合薄膜，感應(yīng)電壓大小還與薄膜電導(dǎo)率有關(guān)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)無法與經(jīng)驗(yàn)公式擬和，且傳感靈器的敏度低于介電電泳方法裝配的定向碳納米管。其原因很有可能是碳納米管與測(cè)試流體被PDMS分子鏈隔開。另外，兩種方法制備的碳納米管流量傳感器，當(dāng)流體流速達(dá)到一定值時(shí)