中科院物理所研制出原位透射電鏡測量儀器

　　最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家實(shí)驗(yàn)室SF1組研制出新的原位透射電鏡測量裝置，實(shí)現(xiàn)了納米管/納米線場效應(yīng)晶體管器件單元在透射電鏡中的原位表征。在確定器件材料結(jié)構(gòu)的同時(shí)，原位測量電輸運(yùn)性質(zhì)。他們將這種方法運(yùn)用到雙壁碳納米管研究上，在實(shí)驗(yàn)上直接獲得了雙壁碳納米管電輸運(yùn)性質(zhì)與手性指數(shù)的對應(yīng)關(guān)系，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在J. Am. Chem. Soc. 131, 62 (2009) 上，這項(xiàng)研究對雙壁納米管基本物性的理解和未來應(yīng)用均具有重要意義。

　　雙壁碳納米管由兩個(gè)單壁碳納米管套構(gòu)而成，為納米光電功能復(fù)合材料提供了理想的結(jié)構(gòu)組元，也是研究納米管層間原子相互作用的最簡單材料體系。納米管的電子結(jié)構(gòu)唯一地決定于表征其原子結(jié)構(gòu)的手性指數(shù)(n, m)，在實(shí)驗(yàn)上測量納米管物理性質(zhì)與手性指數(shù)的一對一關(guān)系，從本征結(jié)構(gòu)出發(fā)理解碳納米管的特殊性質(zhì)是一個(gè)基本的科學(xué)問題。該研究小組的博士生劉開輝、副研究員王文龍、工程師許智、研究員白雪冬和王恩哥等人用微加工工藝制作特殊襯底并構(gòu)造雙壁納米管場效應(yīng)晶體管，做到器件電輸運(yùn)測量與透射電鏡表征相兼容，成功測得了手性依賴的納米管電輸運(yùn)性質(zhì)。雙壁碳納米管每一層可能是金屬性的(M)，也可能是半導(dǎo)體性的(S)，根據(jù)兩者的組合方式有四種類型的雙壁碳納米管，即M/M, M/S, S/S和S/M。他們系統(tǒng)研究了四種組合情況下的雙壁納米管，實(shí)現(xiàn)納米管輸運(yùn)性質(zhì)與手性指數(shù)的直接對應(yīng)。并且，通過對同一種類型納米管(S/M)做大量器件樣品的研究，證明了層間距是影響雙壁納米管輸運(yùn)性質(zhì)的主要因素。他們還采用較大電流脈沖燒蝕納米管的外壁，將探測深入到納米管內(nèi)壁，實(shí)現(xiàn)了雙壁納米管的逐層測量。實(shí)現(xiàn)單個(gè)納米結(jié)構(gòu)單元/材料微區(qū)的結(jié)構(gòu)分析與原位性質(zhì)測量，建立性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的一對一關(guān)系，是納米科學(xué)和低維材料物理研究的重要課題。

　　自2002年以來， SF1組與Q01組和美國佐治亞理工學(xué)院王中林教授合作，將掃描探針技術(shù)與透射電鏡技術(shù)結(jié)合，研發(fā)原位透射電鏡實(shí)驗(yàn)儀器，開展納米操縱和納米測量研究，在單根納米管/納米線的操縱和測量方面已經(jīng)取得了系列進(jìn)展(申請儀器和方法的發(fā)明專利5項(xiàng)，發(fā)表多篇論文如APL 87, 163106 (2005); APL 88, 133107 (2006); APL 89, 221908 (2006); APL 92, 213105 (2008) 等)。

　　該工作得到國家自然科學(xué)基金委、國家科技部和中科院的資助。