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| 近年来,作为新兴的革命性纳米材料,碳纳米管以其显著的物理化学性能,得到了全世界学者们的广泛关注。基于碳纳米管的各种器件如碳纳米管气体传感器、碳纳米管场效应晶体管、碳纳米管微型换能器、碳纳米管探针等等,无不体现出碳纳米管广阔的应用潜能。本文针对目前碳纳米管传感器制作工艺中的装配问题,分别研究了碳纳米管基于硅基传感器的介电电泳装配方法以及基于复合材料传感器的图形化转移制造工艺。本文从实验角度研究了碳纳米管应用于传感器前的处理工艺如提纯、切断、分散等。通过回流去除碳纳米管中含有的杂质;用强酸氧化的方法切断碳纳米管并测量碳纳米管长度随时间的变化规律;研究了碳纳米管在二甲基甲酰胺(dimethylformamide,DMF)和水溶液中的分散情况,得出碳纳米管在DMF中分散的最佳浓度,以及不同表面改性剂各自浓度对碳纳米管在水中分散效果的影响,SEM下观察碳纳米管基本分散成单根状态,为研究碳纳米管应用于传感器的装配工艺提供了基础。从理论角度研究了碳纳米管流量传感的原理,为装配工艺实现碳纳米管流量传感器的实验验证提供了理论基础。在充分理解碳纳米管流量传感理论模型发展的基础上,利用基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,分析了碳纳米管应用于流量测量时,与测试流体中的水分子、钠离子、氢离子、氯离子等的吸附作用,并预测了粒子对传感特性的影响。分别从理论和实验角度研究了碳纳米管硅基传感器的介电电泳装配技术,并从实验角度研究了碳纳米管复合材料传感器的图形化转移制造方法。从理论出发,应用COMSOL Multiphysics多物理场耦合有限元分析软件,模拟了介电电泳方法在硅基上装配碳纳米管及碳纳米管薄膜的过程。试验上,在不同间距和形状的电极对间通过介电电泳方法定向装配碳纳米管,并用SEM观察碳纳米管介电电泳定向过程,验证了模拟的正确性。利用感应加热的方法减小介电电泳定向装配的碳纳米管薄膜与金属电极的接触电阻。研究了接触电阻的减小程度随感应加热时间和射频源输出功率的变化关系。利用与MEMS标准工艺相兼容的图形化转移碳纳米管薄膜到聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane, PDMS)表面的方法,得到了碳纳米管分散均匀、电学特性稳定的图形化的复合薄膜传感单元。分别用上面两种装配方法制备了碳纳米管硅基流量传感器以及复合材料流量传感器,通过测试流量传感特性验证了理论预测。实验测量结果表明,无论是介电电泳方法装配的定向碳纳米管薄膜,还是图形化转移方法制备的碳纳米管复合材料薄膜,其感应电压都随流体流速及测试流体中离子浓度的增加而增加,得出碳纳米管流量传感机理与水分子和溶液中正离子有关的结论,与分子模拟的结果相吻合。对于介电电泳方法装配的硅基流量传感器,实验数据与经验公式拟和结果很好,并且感应电压大小与介电电泳方法定向的薄膜长度、致密度有关。对于图形化转移方法制备的复合薄膜,感应电压大小还与薄膜电导率有关。实验数据无法与经验公式拟和,且传感灵器的敏度低于介电电泳方法装配的定向碳纳米管。其原因很有可能是碳纳米管与测试流体被PDMS分子链隔开。另外,两种方法制备的碳纳米管流量传感器,当流体流速达到一定值时,感应电压出现饱和现象。初步分析其原因,很有可能是碳纳米管表面自由电子移动后使碳纳米管表面带负电荷,抑制了管壁外水分子和钠离子在外层水分子粘滞力作用下的拖拽运动,从而导致驱使自由电子移动的作用被缓和,表现为碳纳米管两端感应电势不再随流体流速的增加而增加,达到饱和状态。 |
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