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器。這種基于光熱電效應(yīng)的探測器具有寬頻帶,、自供電等優(yōu)點(diǎn) , 為工業(yè)監(jiān)測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） 探測器的系統(tǒng)設(shè)計(jì),？PTE探測器結(jié)合光熱和熱電轉(zhuǎn)換 , 實(shí)現(xiàn)有效的紅外檢測 , 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探測器 , 展示了敏感的紅外檢測和快速響應(yīng),。

　　該測試使用Keithley 6487 和Keithley 6500測量 I-V 曲線,，使用Keithley 6500 測量電阻。測量I-V 曲線可以用于表征器件的電學(xué)性能,；測量電阻可以用于評(píng)估器件的導(dǎo)電性能,。這些測量有助于理解器件的工作機(jī)理 , 并優(yōu)化器件的性能，測量電阻還可以用于監(jiān)測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)行四探針測試法,，來測量 CNT 森林的電導(dǎo)率,。通過測量兩個(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。這種四探針測試法可以準(zhǔn)確測量材料的電導(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。

　　四探針測試功能以及數(shù)據(jù)

　　測試方案

　　泰克吉時(shí)利作為小信號(hào)領(lǐng)域的測試專家,，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，其支持測量高達(dá) 20mA 的電流,，比如測量 4-20mA 傳感器回路,。也支持高吞吐量生產(chǎn)測試需求，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試 （I-V 曲線測試 ）、電容-電壓曲線測試 （C-V 曲線測試 ） 和超快脈沖 I-V 曲線測量,。

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