【“源”察秋毫系列】 Keithley在碳纳米管森林涂层纤维复合材料的应用

碳纳米管森林由许多垂直生长的碳纳米管组成，看起来像一个“森林”，因此得名。每个碳纳米管（CNT）是由单层或多层石墨烯片卷曲形成的圆筒结构，其直径在纳米级别，长度可以达到数微米甚至数毫米。碳纳米管森林中的这些纳米管密集排列，垂直生长于基底上。

碳纳米管涂层纤维的特点

高比表面积：碳纳米管森林有巨大的表面积，有助于提高催化、传感、储能等方面的性能。

优异的力学性能：碳纳米管具有极高的强度和韧性。

电学与热学性能：它们表现出优异的导电性和导热性。

CNT 涂层纤维的应用

能源领域：用于锂离子电池、电容器、太阳能电池等。

传感器：制成高灵敏度的化学传感器、压力传感器等。

电子器件：用作场效应晶体管、导电材料等。

复合材料：增强聚合物、金属等材料的力学性能。

CNT 涂层纤维的关键参数

压阻（Piezoresistance）

CNT 的压阻特性可以应用于高灵敏度传感器，用于制造高灵敏度的压力传感器和应变传感器。这些传感器可以检测微小的压力或形变变化；可以制成柔性薄膜 , 结合其压阻特性 , 可用于开发柔性触摸屏、可穿戴设备等柔性电子产品；在锂电池等能源存储设备中 , 碳纳米管可作为导电剂 , 其压阻特性可用于监测电池内部压力变化 , 提高电池安全性等。

压阻特性受到 CNT 的直径、密度、内部连通性和均匀性等参数的影响。例如 CNT(5-30 nm) 比较大直径的 CNT(50-70 nm) 具有更高的柔韧性和更多的 CNT- CNT 接触 , 有利于提高压阻灵敏度。CNT 密度越高 ,CNT-CNT 接触越多 , 有利于形成更好的导电通路 , 从而提高压阻灵敏度。

接触电阻（Contact Resistance）

接触电阻是影响 CNT 传感器灵敏度的主要因素。模拟结果表明 ,CNT- 电极接触点的数量增加会显著降低整体电阻 , 这是导致灵敏度较高的主要原因。相比之下 ,CNT-CNT 内部接触点的增加对整体电阻的影响要小得多。

对于相对较短的碳纳米管森林，接触电阻和固有电阻的变化是平衡的，而对于较高的碳纳米管森林，响应主要由碳纳米管电极接触电阻主导。这些结果有望指导压阻式流量传感器和触觉传感器的设计。

光热电压 (Photothermoelectric, PTE)

光热电压是指当材料受到光照时产生的热电压。碳纳米管薄膜 (CNT Film) 由于其独特的一维结构和优异的光学、热学和电学性质 , 可能表现出显著的光热电效，可以产生光热电效应 , 即当受到光照时会产生温度差 , 进而产生热电压。这种光热电转换特性可以用于开发自供电的中红外探测器。这种基于光热电效应的探测器具有宽频带、自供电等优点 , 为工业监测和可穿戴传感器等应用提供了新的机会。

案例一：如何测试碳纳米管森林的接触电阻和内在电阻

将 CNT 涂层纤维放置在具有交错电极的基板上 , 使用纳米压痕仪施加 10 mN 的最大压力。使用数字万用表同时记录纤维的位移、力和电阻。通过测量电极间的电压差和电流 , 可以得到总电阻。总电阻是接触电阻和内在电阻的综合体现。总电阻随着 CNT- 电极接触点的增加而近乎线性增加 , 表明接触电阻是主导因素。

通过设置与电极接触的 CNT 节点的电压等于电极的电压 , 可以计算出接触电阻。这种计算方式考虑了 CNT-电极接触的影响。内阻是由 CNT-CNT 接触数量决定的。通过设置与电极接触的 CNT 节点的电压等于电极电压 , 可以计算出内在电阻。短 CNT 森林的内在电阻在压缩过程中会快速下降 , 这一变化速度可能大于接触电阻的变化。

实验和模拟结果表明 ,CNT- 电极接触是导致最大电阻变化的机制。相对于 CNT-CNT 接触 ,CNT- 电极接触对总电阻的影响更为显著。

案例二：基于MXene电子的碳纳米管森林大面积立式光热电探测器系统设计

如何进行基于碳纳米管森林和 MXene 电极的大面积垂直光热电 (PTE) 探测器的系统设计？PTE探测器结合光热和热电转换 , 实现有效的红外检测 , 克服了带隙限制。该研究提出了利用碳纳米管森林和MXene作为顶部电极的垂直PTE探测器 , 展示了敏感的红外检测和快速响应。

该测试使用Keithley 6487 和Keithley 6500测量 I-V 曲线，使用Keithley 6500 测量电阻。测量I-V 曲线可以用于表征器件的电学性能；测量电阻可以用于评估器件的导电性能。这些测量有助于理解器件的工作机理 , 并优化器件的性能，测量电阻还可以用于监测器件在使用过程中的稳定性。

案例三：基于致密化碳纳米管森林和生物的导电3D纳米生物杂化系统

本文介绍了使用致密碳纳米管 (CNT) 森林与活细胞集成的导电 3D 纳米生物混合系统的发展 , 应用于生物电子学和生物机器人领域。研究发现导电生物混合细胞 - 材料系统对于器官芯片系统和肌肉执行器等各种应用很重要。目前的导电支架在导电性或结构上受到限制 , 突出了 3D 生物混合系统的需求。选择碳纳米管 (CNT) 森林是因为它们具有独特的性质 , 包括高电导率和良好的机械适应性。该研究开发了具有增强细胞相容性的 CNT 森林支架 , 并证明了细胞的存活和功能。CNT 森林上的明胶涂层导致了密集化并形成了 3D 结构 , 为细胞生长和扩散提供了合适的支架。这项研究有助于先进生物混合系统的发展 , 并具有广泛的应用前景。

文中使用 Keithley 4200A-SCS 参数分析仪进行四探针测试法，来测量 CNT 森林的电导率。通过测量两个内探针之间的电压降 , 并结合电流的线性扫描 , 计 算出样品的电阻和电导率。这种四探针测试法可以准确测量材料的电导率 , 不受电极接触电阻的影响，以此来评估 CNT 森林的电学性能，高精度高可靠的确保提高细胞与 CNT 之间的电子和离子传输能力。

四探针测试功能以及数据

测试方案

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