见“微”知“著”——“看见”碳纳米管阵列的“奥秘”

在人类所获得的信息中,90%以上来自眼睛。光作为主要载体,揭开了大千世界的种种奥秘。然而在纳米世界里,纳米材料的光学信号通常很弱。以碳纳米管为例,它的光学衬度通常低于1%,与环境产生的噪音信号强度相当。这样一来,蕴藏着种种重要物理信息的光学信号,就淹没在嘈杂的背景中,而难以被探测。

碳纳米管阵列有望成为未来纳米器件的候选材料,但如何对碳纳米管阵列的结构与性能进行准确、快速、高通量的表征是目前的瓶颈问题。传统的表征方法,如透射电子显微镜、扫描隧道显微镜、原子力显微镜等,常常会在表征的区域范围、速度、判定金属管和半导体管比例以及分辨率上受到限制。由于光学手段具有高通量无损伤的优良特性,科学家一直以来都在寻求碳纳米管阵列结构和性质的光学表征方法。

1近期,北京大学张锦教授和刘开辉研究员的两个研究团队密切合作,在高密度碳纳米管阵列结构与性质的高通量光学成像表征方法上取得了突破。
利用碳纳米管的偏振特性,使用两个接近垂直的偏振片极大地增强了碳纳米管阵列的光学衬度(接近50倍)。通过这种方法,在亚毫米的视野范围、小于1秒的曝光时间内实现了对高密度碳纳米管阵列的光学成像。通过对碳纳米管吸收性质的分析,利用光学图像中的衬度和颜色分辨信息,实现了对碳纳米管阵列密度和金属与半导体管的比例的快速表征。该方法也可以用于各种不同基底(如带电极的硅/氧化硅、熔融石英氧化铝)和不同的环境中(如浸没在水、油中和在900摄氏度的高温下)碳纳米管阵列结构与性质的表征。

该方法不仅可以用于碳纳米管结构与性质的快速表征,同时也为纳米管及其他一维材料原位生长提供了新的思路和方法。该工作发表在近期的Advanced Materials(DOI: 10.1002/adma.201505253)上。