用于柔性电子器件的单个少壁碳纳米管的壁间滑动

研究背景

人们对碳纳米管(CNTs)的深入研究已有 30 多年，并将其视为一种极具潜力的电子构造材料，特别是在柔性和轻质应用方面，如场效应晶体管、电极、储能器件和传感器。按形态可分为单壁和多壁 CNT。将 CNT 组装成 CNT 薄膜、气凝胶和油墨等已广泛应用于柔性电子器件，如应变和压力传感器、弹性导体、气流传感器和电极。然而，大多数报道都是基于碳纳米管集合体的结构-性能依赖性，而非单个碳纳米管的内在特性进行设计的。因此，CNT 作为一种独特的一维电子材料的前景尚未得到充分探索。CNT 具有无锋管状结构，单层或多层石墨烯围绕中心轴同轴缠绕。由于石墨烯层间的滑动能极低，CNT 的外壳表现出超强的润滑性，在室温下可以很容易地相互滑动，这一点已被电子显微镜证明。然而目前还没有关于单个 CNT 的电学特性与其壁间滑动相关性的报告，这可能是由于在测量单个 CNT 的电学特性时很难对其进行操作。超长少壁碳纳米管(FWCNTs)长度大、缺陷含量低，是研究单根碳纳米管机电特性和宏观应用的理想材料。此前，已有报道过通过操纵厘米长的 CNT，研究了单个 CNT 壁间的超润滑特性，为研究未知的 CNT 壁间滑动的机电响应提供了理论和实验基础。

研究成果

少壁碳纳米管(FWCNT)由几个直径不同的同轴碳纳米管壳组成。在外力作用下，一根管子中的管壳可以相对滑动，从而可能导致电学特性的调节，但由于实验上的困难，从未对此进行过探索。在这项工作中，清华大学张莹莹教授团队研究了单个碳纳米管壁间滑动引起的机电响应，并首次揭示了线性电流变化。基于通过化学气相沉积生长的一厘米长的 FWCNT，在记录电流的同时实现了可控和可逆的壁间滑动。观察到电流随壁间滑动而发生可逆的线性变化，这与我们提出的壁间隧道模型是一致的。此外，还开发了一种丝纤维素辅助长 CNT 转移技术，并实现了基于 FWCNT 的柔性器件的制造。在弹性硅胶包裹的 FWCNTs@silk 薄膜上施加拉伸应力，可诱导壁间滑动，从而控制电流。此外，预计一维纳米管层间滑动诱导的机电行为也可能扩展到二维层状材料，为新型电子器件的制造带来新的启示。相关研究以“Inter-Shell Sliding in Individual Few-Walled Carbon Nanotubes for Flexible Electronics”为题发表在Advanced Materials期刊上。

图文导读

Figure 1 Reversible electromechanical characteristics of the individual FWCNT.

Figure 2 Illustration showing the mechanism for the electrical conductivity variation versus inter-shell sliding of a CNT.

Figure 3 Transfer of horizontally aligned FWCNT arrays and structure of the CNTs@Silk@PDMS (CNT/S/P) film.

Figure 4 The structure and electromechanical properties of the CNT/S/P film with stretching.

Figure 5 Controlling a manipulator with a CNT/S/P film-based flexible device.

总结与展望

在这项工作中，作者首次研究了单个碳纳米管壁间滑动引起的机电响应，并展示了其作为快速、精确的软性人机界面的潜在应用。通过 CVD 技术生长的低缺陷超 FWCNT 是研究的关键。单个 FWCNTs 的壁间滑动可以通过装饰硫 NPS 进行光学可视化，并在记录实时电流的同时用探针进行操纵。同时开发了一种丝纤维素辅助转移技术，这是成功转移水平排列的超长 CNT 阵列所必需的。FWCNT@Silk 膜被 PDMS 封装，从而获得了弹性 CNT/S/P薄膜。有趣的是，在壁间循环滑动的同时，观察到了 CNT 的可逆和线性机电特性。可逆和线性响应可以简化人机界面的数据处理和转换。作为概念验证，还设计了一个灵活的装置，并演示了其在控制机械手方面的应用，该机械手可远程执行精细复杂的任务，在医疗保健、虚拟现实和机器人领域具有潜在应用价值。这项工作证明，一维材料中的壁间滑动可应用于新型电子器件的设计，也有可能扩展到具有范德华层间相互作用的二维层状材料。我们希望这一新机制能为柔性电子器件的设计带来新的启示，从而实现广泛的未来应用。

文献链接

Inter-Shell Sliding in Individual Few-Walled Carbon Nanotubes for Flexible Electronics

https://doi.org/10.1002/adma.202306144

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