超長碳納米管具有優(yōu)異的導(dǎo)電導(dǎo)熱能力、高強度、高柔性、高韌性、超耐疲勞性能、輕量化、超細的直徑和巨大的長徑比等性能，從而使其在制備各類傳感與探測器件方面展示出獨特的優(yōu)勢。然而，為實現(xiàn)超長碳納米管在高端傳感器件中的廣泛應(yīng)用，一方面需要解決其批量制備的難題，另一方面則需要發(fā)展有效的器件設(shè)計策略，使超長碳納米管的本征性能得以充分發(fā)揮。
針對超長碳納米管的傳統(tǒng)生長方法中產(chǎn)率過低的問題，清華大學(xué)化工系張如范課題組開發(fā)了一種基底攔截導(dǎo)向策略，克服了傳統(tǒng)生長方法中催化劑利用率低、催化劑顆粒易聚等難題，使超長碳納米管的陣列密度和產(chǎn)率提升了2–3個數(shù)量級。為進一步提升超長碳納米管水平陣列的產(chǎn)率和均勻性，張如范課題組還提出了浮游雙金屬催化劑的原位氣相合成方法，顯著延長了催化劑的壽命，并實現(xiàn)了30厘米級碳納米管水平陣列的大面積均勻制備。
在器件開發(fā)方面，張如范課題組實現(xiàn)了基于懸空超長碳納米管網(wǎng)絡(luò)的超靈敏氣流傳感器的制備，利用超長碳納米管輕質(zhì)、超柔的特性實現(xiàn)了高靈敏度、超快響應(yīng)和低檢出限等優(yōu)異的氣流傳感性能，證明了高密度超長碳納米管在傳感器領(lǐng)域的重大應(yīng)用潛力。在此基礎(chǔ)上，張如范課題組進一步開發(fā)了基于懸空碳納米管交叉網(wǎng)絡(luò)的氣流傳感器，憑借獨特的交叉網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了氣速檢測范圍的顯著拓寬，并使器件實用性大大提升。
面向遙感、自動化、醫(yī)學(xué)成像、光通訊、安保等領(lǐng)域?qū)τ诟咝阅?a target="_blank">光電探測器的日益增長的需求，張如范課題組近日提出了一種基于懸空超長碳納米管的高性能光電探測器。碳納米管因其寬譜吸收、超快激發(fā)、可調(diào)帶隙、高遷移率等特性，是一種構(gòu)建高性能光電探測器的理想材料。相比于傳統(tǒng)的光電探測材料(如Si、GaAs、InAs等)，碳納米管在探測范圍和響應(yīng)速率方面具有顯著優(yōu)勢，并且在室溫條件下即可實現(xiàn)傳感功能。然而，之前報道的碳納米管光電探測器因電-聲相互作用、光熱效應(yīng)、結(jié)構(gòu)缺陷等因素，未能發(fā)揮出碳納米管本征的光電性能。因此，張如范課題組創(chuàng)新性地提出利用懸空結(jié)構(gòu)避免基底聲子散射的不利影響的思路，并利用懸空超長碳納米管與空氣界面上的超高傳熱系數(shù)和比表面積削弱光熱效應(yīng)，同時優(yōu)化超長碳納米管的面密度，以實現(xiàn)光電探測性能的全面提升。
張如范課題組利用之前開發(fā)的基底攔截導(dǎo)向策略，在帶有圓形孔洞的基底上成功生長出了陣列密度可調(diào)的懸空超長碳納米管，隨后在其兩側(cè)沉積金屬電極，即可構(gòu)筑成基于懸空超長碳納米管的光電導(dǎo)探測器(圖1)。懸空超長碳納米管呈現(xiàn)出宏觀長度、完美結(jié)構(gòu)以及高取向度，可以充分實現(xiàn)兩端電極之間的隧穿，并且其中納米級直徑的管束也能實現(xiàn)優(yōu)異的散熱性能，與器件的概念設(shè)計高度一致。
圖1.基于超長碳納米管懸空網(wǎng)絡(luò)的光電探測器的制備和表征
超長碳納米管光電探測器的性能評價結(jié)果顯示，在相同的激光波長和功率密度下，懸空超長碳納米管光電探測器能夠產(chǎn)生近8倍于非懸空超長碳納米管的光電導(dǎo)響應(yīng)。同時，懸空超長碳納米管的光電導(dǎo)響應(yīng)更不易飽和，且具有更高的靈敏度。不同開關(guān)頻率下的時域響應(yīng)信號和響應(yīng)速率測試也顯示出懸空超長碳納米管極快的響應(yīng)速率，電流上升與下降時間在0.13–0.18ms的范圍內(nèi)，優(yōu)于多數(shù)碳材料光電探測器。該研究還通過多次循環(huán)生長得到不同面密度的懸空超長碳納米管樣品，并從相對電流變化、響應(yīng)度、探測率三個方面分析了面密度對于懸空碳納米管光電探測性能的影響(圖2)。測試結(jié)果顯示，高密度的樣品可有效增加吸收截面積和提高激光能量利用率，在響應(yīng)度和探測率兩方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(分別可達10–1AW–1和109cmHz1/2W–1量級)。
圖2.不同密度的超長碳納米管懸空網(wǎng)絡(luò)光電探測器的性能評價
研究還發(fā)現(xiàn)，懸空超長碳納米管由于其較窄的帶隙和高效的帶間躍遷激發(fā)，因而可以對寬波段范圍內(nèi)的入射光產(chǎn)生均勻的響應(yīng)。懸空超長碳納米管光電探測器在405nm、532nm、650nm、785nm和850nm入射光下得到了較為均勻的響應(yīng)行為(圖3)，最高響應(yīng)度可達0.181AW–1，最高探測率可達1.20×109cmHz1/2W–1。最后，與純碳基光電探測器和摻雜的碳基光電探測器相比，懸空超長碳納米管在響應(yīng)度、探測率和響應(yīng)時間等方面均表現(xiàn)出綜合的優(yōu)勢。
圖3.超長碳納米管懸空網(wǎng)絡(luò)光電探測器的寬譜響應(yīng)行為和綜合性能對比
相關(guān)成果以“基于懸空超長碳納米管的高性能光電探測器”(High-Performance Photodetectors Based on Suspended Ultralong Carbon Nanotubes)為題，于8月26日發(fā)表于《美國化學(xué)會·納米》(ACS Nano)。
清華大學(xué)化工系2024屆博士畢業(yè)生姜沁源為論文的第一作者，化工系副教授張如范為論文的通訊作者，其他合作者包括化工系2023級博士后王康康、2021級博士生汪菲、2023級碩士生劉愷軒、2020級博士生李潤、2022級博士生趙彥龍、2023級碩士生習艾可和化工系科研助理臧永路。研究得到國家自然科學(xué)基金和國家重點研發(fā)計劃的支持。
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