作者姓名：王鸣生
　　论文题目：在透射电子显微镜中对碳纳米管进行操控和电性测量
　　作者简介：王鸣生，男，1978年5月出生，2001年9月师从于北京大学彭练矛教授，于2006年7月获博士学位。

　　中文摘要
　　随着纳米科技的蓬勃发展，碳纳米管因其卓越的物理化学性质成为众多领域争相研究的焦点。在电子学领域，碳管可以用作新型的电子发射源，还可以用来构造纳米电路中的元器件或是代替金属成为引线等。本文在透射电子显微镜中，利用装有微型扫描隧道显微镜的样品杆（TEM-STM）对单根碳管的场发射性质做了较为系统的研究。我们还利用电子束致沉积技术（EBID）对碳管进行可控连接和塑形，并对其电学和力学性质做了原位测量。我们知道纳米材料的性能和应用与其形貌和结构密切相关。而TEM-STM则是一种强大的工具，可以将碳管的电学和力学性能与其原子级结构细节对应起来研究。此外我们发展了一些原位操控手段，可以实现对碳管结构的高精度控制。
　　(1) 通过精确的原位操纵，我们在透射电镜中获得了单根多壁碳纳米管。再用电致蒸发，电流切断，和热场蒸发等多种手段可控地改变碳管的尖端结构, 将场发射性质和碳管形貌，尤其是尖端结构对应起来。大量的测量表明，碳管的场发射性质对其尖端结构非常敏感，尖端结构的改变可以使开启电压或场增强因子变化超过100%。开口碳管比闭口碳管更容易发射，主要归因于开口碳管边缘不规则的石墨片对场发射的增强作用；也正是因为这些石墨片上的原子级的尖锐突起结构，使得经典的基于平面发射体的F-N公式在开口碳管上不再很好的适用，而需要一些修正。 
　　(2) 基于Forbes最近发展的有关从Fowler–Nordheim曲线推算发射面积的新理论，我们用不同的近似方法代替v(y)，即Nordheim函数，给出相应的算法，从而能够较方便而准确的计算发射面积。我们发现HK近似在可能的电流密度区间内充分精确，但是计算较麻烦。而用一些简单的近似来（如CM或Spindt近似）代替，误差很小，对于估算已经足够。如果直接取v(y)=1，不会对场增强因子的计算造成大的误差，而对发射面积的计算误差将超过两个数量级。另外，我们还给出了面积获取函数Γ(φ)在HK近似下的新形式。由于F-N公式自身的特殊性，即便我们不知道逸出功的准确值，所算得的发射面积的误差一般不会超过10%（实际测量中这已足够精确）。而我们通常习惯性地将碳管逸出功选择为5eV，其对应的发射面积实际上是一个安全的“中间值”，因而不会对其发射面积的估算带来明显的误差。 
　　(3) 我们研究了热场蒸发对碳管尖端结构的破坏，发现发现电流加热和场蒸发使I-V和F-N曲线呈现明显的多阶段特征,它们分别是F-N曲线上的低温线性区、高温偏离区、热场蒸发区和剩余发射区。我们还在恒定偏压下观察了碳管持续场蒸发的过程，发现碳管以石墨片不断从开口处脱离的形式缩短。另外，单根碳管尖端的结构变化对场发射的影响比长度变化要更显著。我们认为热场蒸发是限制单根碳管获取大电流的主要因素，所以如何有效地抑制电阻加热就成为获取大电流的关键。 
　　(4) 我们还建设性地利用热场蒸发来可控地改变碳管形貌。比如清洁闭口管的表面，从而获得稳定的发射；或可控地打开闭口管的“帽子”。通过比较同一根碳管上加正负偏压后的结构变化，我们肯定了电流加热的影响。此外，我们用两端电流法逐层切断碳管从而得到一种锥状闭口尖端结构，可以用场蒸发来改变其“帽子”的曲率半径。我们发现这种结构兼具粗细碳管的优势于一身，如小而可控的曲率半径、闭口、下部直径较粗等。这些结构上的优点使它的开启电压较低、发射稳定、可以承受较大的电流、安装放便等。更重要的是，它们可以在较大的范围内调节其开启电压和最大电流。因此，我们将这种结构称之为碳管场发射“最佳尖端结构”。 
　　(5) 我们探讨了两种场发射瞬间失效行为并分析了其产生的原因。一种来自碳管和基底的接触点，即由电场的拉伸或接触电阻加热导致碳管从基底脱离。另一种源于碳管的尖端，由热场蒸发而导致电弧放电，其结果是碳管从针尖消失，针尖也不同程度被破坏。为了避免发射失效，我们提出并展示了用电子束致沉积无定型碳来稳固接触点，不仅增强了机械强度，而且提高了接触处的导电性。此外我们通过缩短碳管，并辅以无定型碳的沉积而获得超过200μA单根碳管场发射电流。 
　　(6) 我们利用电子束致沉积技术在透射电镜中手动控制生长无定型碳纳米线。通过移动电子束，引导无定型碳不断地趋向束斑中心而沉积，从而生长出我们想要的纳米线、点等结构。电子束既是导致沉积的激发源，同时又是监控和观察的光源。我们发现聚焦电子束斑的大小和形状可以直接决定沉积物的大小和形状，而长时间的幅照可以使沉积物的尺寸逐渐增大并出现饱和。我们用两端法测量了无定型碳的电学性能，发现其导电性能较差，然而在纳米级的厚度上，电阻很小，其电导呈欧姆特性。无定型碳纳米线还具有相当的场发射能力，能够承受106A/cm2量级的电流密度。我们还讨论了EBID技术和无定型碳晶化处理相结合大规模可控制备碳纳米管的可能性。 
　　(7) 我们将STM操控和EBID技术相结合，首次可控地将碳管连接起来，并用此方法成功地构造了各种形状的碳管结构。对其电学和力学的测量结果表明，沉积无定型碳可以有效的提高连接处的电导，并且大大增加其机械牢固性。通过改变接触角我们可以构造弯折的碳管结构，还可以制备多根碳管组成的含有十字结和T型结的简单网络。另外我们首次提出并展示了用电流加热的方法将无定型碳石墨化，从而显著降低连接处的电阻。而且无规石墨或无定型碳对碳管的连接可以承受很大的电流，对于实际的应用，特别在极高电流的工作环境下具有不可替代的优势，因此碳管及其无定型碳连接可以代替金属成为未来纳米电路中的互连线。 
　　(8) 我们用STM探针将直径为20~50纳米的碳管精确控制成多弯折或连续弯曲结构，并用EBID在弯折或弯曲处沉积无定型碳将碳管固定。我们发现无定型碳有很强的结合力，使构造出来的碳管结构非常牢固，可以有效抵挡外力的拉伸。另外多壁碳管的弯折形变和无定型碳的沉积对其导电性没有明显的影响。这一发现表明，在纳电子和纳机电系统中，多壁碳管可以被操控加工以实现器件间更复杂的连接，而不会对其导电性有太大影响。非直线形的碳管作为纳米尺度的电子、能量和物质的输运载体，可以弥补普通直线型碳管的不足，从而大大扩展碳管的应用前景。

　　关键词：  单根碳纳米管、场发射、尖端结构、无定型碳、电子束致沉积、碳纳米管互连