【“源”察秋毫系列】Keithley在碳納米管森林涂層纖維復(fù)合材料的應(yīng)用

碳納米管森林由許多垂直生長的碳納米管組成，看起來像一個(gè)“森林”，因此得名。每個(gè)碳納米管（CNT）是由單層或多層石墨烯片卷曲形成的圓筒結(jié)構(gòu)，其直徑在納米級(jí)別，長度可以達(dá)到數(shù)微米甚至數(shù)毫米。碳納米管森林中的這些納米管密集排列，垂直生長于基底上。

碳納米管涂層纖維的特點(diǎn)

高比表面積：碳納米管森林有巨大的表面積，有助于提高催化、傳感、儲(chǔ)能等方面的性能。

優(yōu)異的力學(xué)性能：碳納米管具有極高的強(qiáng)度和韌性。

電學(xué)與熱學(xué)性能：它們表現(xiàn)出優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。

CNT 涂層纖維的應(yīng)用

能源領(lǐng)域：用于鋰離子電池、電容器、太陽能電池等。

傳感器：制成高靈敏度的化學(xué)傳感器、壓力傳感器等。

電子器件：用作場(chǎng)效應(yīng)晶體管、導(dǎo)電材料等。

復(fù)合材料：增強(qiáng)聚合物、金屬等材料的力學(xué)性能。

CNT 涂層纖維的關(guān)鍵參數(shù)

壓阻（Piezoresistance）

CNT 的壓阻特性可以應(yīng)用于高靈敏度傳感器，用于制造高靈敏度的壓力傳感器和應(yīng)變傳感器。這些傳感器可以檢測(cè)微小的壓力或形變變化；可以制成柔性薄膜 , 結(jié)合其壓阻特性 , 可用于開發(fā)柔性觸摸屏、可穿戴設(shè)備等柔性電子產(chǎn)品；在鋰電池等能源存儲(chǔ)設(shè)備中 , 碳納米管可作為導(dǎo)電劑 , 其壓阻特性可用于監(jiān)測(cè)電池內(nèi)部壓力變化 , 提高電池安全性等。

壓阻特性受到 CNT 的直徑、密度、內(nèi)部連通性和均勻性等參數(shù)的影響。例如 CNT(5-30 nm) 比較大直徑的 CNT(50-70 nm) 具有更高的柔韌性和更多的 CNT- CNT 接觸 , 有利于提高壓阻靈敏度。CNT 密度越高 ,CNT-CNT 接觸越多 , 有利于形成更好的導(dǎo)電通路 , 從而提高壓阻靈敏度。

接觸電阻（Contact Resistance）

接觸電阻是影響 CNT 傳感器靈敏度的主要因素。模擬結(jié)果表明 ,CNT- 電極接觸點(diǎn)的數(shù)量增加會(huì)顯著降低整體電阻 , 這是導(dǎo)致靈敏度較高的主要原因。相比之下 ,CNT-CNT 內(nèi)部接觸點(diǎn)的增加對(duì)整體電阻的影響要小得多。

對(duì)于相對(duì)較短的碳納米管森林，接觸電阻和固有電阻的變化是平衡的，而對(duì)于較高的碳納米管森林，響應(yīng)主要由碳納米管電極接觸電阻主導(dǎo)。這些結(jié)果有望指導(dǎo)壓阻式流量傳感器和觸覺傳感器的設(shè)計(jì)。

光熱電壓 (Photothermoelectric, PTE)

光熱電壓是指當(dāng)材料受到光照時(shí)產(chǎn)生的熱電壓。碳納米管薄膜 (CNT Film) 由于其獨(dú)特的一維結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的光學(xué)、熱學(xué)和電學(xué)性質(zhì) , 可能表現(xiàn)出顯著的光熱電效，可以產(chǎn)生光熱電效應(yīng) , 即當(dāng)受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生溫度差 , 進(jìn)而產(chǎn)生熱電壓。這種光熱電轉(zhuǎn)換特性可以用于開發(fā)自供電的中紅外探測(cè)器。這種基于光熱電效應(yīng)的探測(cè)器具有寬頻帶、自供電等優(yōu)點(diǎn) , 為工業(yè)監(jiān)測(cè)和可穿戴傳感器等應(yīng)用提供了新的機(jī)會(huì)。

案例一：如何測(cè)試碳納米管森林的接觸電阻和內(nèi)在電阻

將 CNT 涂層纖維放置在具有交錯(cuò)電極的基板上 , 使用納米壓痕儀施加 10 mN 的最大壓力。使用數(shù)字萬用表同時(shí)記錄纖維的位移、力和電阻。通過測(cè)量電極間的電壓差和電流 , 可以得到總電阻。總電阻是接觸電阻和內(nèi)在電阻的綜合體現(xiàn)?？傠娮桦S著 CNT- 電極接觸點(diǎn)的增加而近乎線性增加 , 表明接觸電阻是主導(dǎo)因素。

通過設(shè)置與電極接觸的 CNT 節(jié)點(diǎn)的電壓等于電極的電壓 , 可以計(jì)算出接觸電阻。這種計(jì)算方式考慮了 CNT-電極接觸的影響。內(nèi)阻是由 CNT-CNT 接觸數(shù)量決定的。通過設(shè)置與電極接觸的 CNT 節(jié)點(diǎn)的電壓等于電極電壓 , 可以計(jì)算出內(nèi)在電阻。短 CNT 森林的內(nèi)在電阻在壓縮過程中會(huì)快速下降 , 這一變化速度可能大于接觸電阻的變化。

實(shí)驗(yàn)和模擬結(jié)果表明 ,CNT- 電極接觸是導(dǎo)致最大電阻變化的機(jī)制。相對(duì)于 CNT-CNT 接觸 ,CNT- 電極接觸對(duì)總電阻的影響更為顯著。

案例二：基于MXene電子的碳納米管森林大面積立式光熱電探測(cè)器系統(tǒng)設(shè)計(jì)

如何進(jìn)行基于碳納米管森林和 MXene 電極的大面積垂直光熱電 (PTE) 探測(cè)器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)？PTE探測(cè)器結(jié)合光熱和熱電轉(zhuǎn)換 , 實(shí)現(xiàn)有效的紅外檢測(cè) , 克服了帶隙限制。該研究提出了利用碳納米管森林和MXene作為頂部電極的垂直PTE探測(cè)器 , 展示了敏感的紅外檢測(cè)和快速響應(yīng)。

該測(cè)試使用Keithley 6487 和Keithley 6500測(cè)量 I-V 曲線，使用Keithley 6500 測(cè)量電阻。測(cè)量I-V 曲線可以用于表征器件的電學(xué)性能；測(cè)量電阻可以用于評(píng)估器件的導(dǎo)電性能。這些測(cè)量有助于理解器件的工作機(jī)理 , 并優(yōu)化器件的性能，測(cè)量電阻還可以用于監(jiān)測(cè)器件在使用過程中的穩(wěn)定性。

案例三：基于致密化碳納米管森林和生物的導(dǎo)電3D納米生物雜化系統(tǒng)

本文介紹了使用致密碳納米管 (CNT) 森林與活細(xì)胞集成的導(dǎo)電 3D 納米生物混合系統(tǒng)的發(fā)展 , 應(yīng)用于生物電子學(xué)和生物機(jī)器人領(lǐng)域。研究發(fā)現(xiàn)導(dǎo)電生物混合細(xì)胞 - 材料系統(tǒng)對(duì)于器官芯片系統(tǒng)和肌肉執(zhí)行器等各種應(yīng)用很重要。目前的導(dǎo)電支架在導(dǎo)電性或結(jié)構(gòu)上受到限制 , 突出了 3D 生物混合系統(tǒng)的需求。選擇碳納米管 (CNT) 森林是因?yàn)樗鼈兙哂歇?dú)特的性質(zhì) , 包括高電導(dǎo)率和良好的機(jī)械適應(yīng)性。該研究開發(fā)了具有增強(qiáng)細(xì)胞相容性的 CNT 森林支架 , 并證明了細(xì)胞的存活和功能。CNT 森林上的明膠涂層導(dǎo)致了密集化并形成了 3D 結(jié)構(gòu) , 為細(xì)胞生長和擴(kuò)散提供了合適的支架。這項(xiàng)研究有助于先進(jìn)生物混合系統(tǒng)的發(fā)展 , 并具有廣泛的應(yīng)用前景。

文中使用 Keithley 4200A-SCS 參數(shù)分析儀進(jìn)行四探針測(cè)試法，來測(cè)量 CNT 森林的電導(dǎo)率。通過測(cè)量?jī)蓚€(gè)內(nèi)探針之間的電壓降 , 并結(jié)合電流的線性掃描 , 計(jì) 算出樣品的電阻和電導(dǎo)率。這種四探針測(cè)試法可以準(zhǔn)確測(cè)量材料的電導(dǎo)率 , 不受電極接觸電阻的影響，以此來評(píng)估 CNT 森林的電學(xué)性能，高精度高可靠的確保提高細(xì)胞與 CNT 之間的電子和離子傳輸能力。

四探針測(cè)試功能以及數(shù)據(jù)

測(cè)試方案

泰克吉時(shí)利作為小信號(hào)領(lǐng)域的測(cè)試專家，提供豐富的產(chǎn)品助力碳納米管復(fù)合材料的研究。

擁有集高精度、高分辨率數(shù)字萬用表 、圖形觸摸屏顯示器和高速、高分辨率數(shù)字化器于一身的圖形采樣萬用表。以及電流分辨率低至 1fA 的皮安表，其支持測(cè)量高達(dá) 20mA 的電流，比如測(cè)量 4-20mA 傳感器回路。也支持高吞吐量生產(chǎn)測(cè)試需求，最高每秒 1,000 個(gè)讀數(shù)。還有專業(yè)內(nèi)性能領(lǐng)先的 4200A-SCS 電學(xué)特性參數(shù)分析儀，提供同步電流電壓曲線測(cè)試 (I-V 曲線測(cè)試 )、電容-電壓曲線測(cè)試 (C-V 曲線測(cè)試 ) 和超快脈沖 I-V 曲線測(cè)量。