一种悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节方法技术

一种悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节方法，涉及碳纳米管谐振器。包括以下步骤：1)制备悬臂梁多壁碳纳米管谐振器；2)电子束辐照实现频率下降；3)焦耳热实现频率上升，实现悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节。利用电子束辐照和焦耳热的方式，利用高能电子束辐照碳纳米管引入缺陷和利用电流焦耳热退火消除缺陷。通过电子束辐照碳纳米管，实现碳纳米管谐振器的谐振频率可控下降，调控精度可高达0.1％/min，这一精度超过现有方法约一个数量级；通过电流产生焦耳热的方式，实现碳纳米管谐振器的谐振频率可控上升。此外，上述可逆调节过程还具有很好的可重复性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及碳纳米管谐振器，具体是涉及一种悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节方法。
技术介绍
作为纳机电系统(NEMS)中的重要器件之一，碳纳米管谐振器因其体积小、结构紧密、高灵敏度、高分辨率、低功耗和低成本等优势，在传感和检测等领域受到广泛关注。共振频率是决定碳管谐振器测量灵敏度和精确度的一项重要指标。在高分辨传感器、射频振荡器、滤波器等应用中，都需要实现该共振频率的可控调节。比如，Jensen[JensenK,WeldonJ,GarciaH,etal.Nanotuberadio[J].Nanoletters,2007,7(11):3508-3511.]等通过在碳纳米管悬臂梁上沉积金属原子或是改变碳纳米管长度的方法虽然可以一定程度上调节碳管频率，但这种改变是不可逆的；Zettl[KimK,JensenK,ZettlA.Tuningnanoelectromechanicalresonatorswithmassmigration[J].Nanoletters,2009,9(9):3209-3213.]等通过改变碳纳米管上金属颗粒的方法虽然可以实现可逆调控，但其调控精度较低，单次频率调节只有1％的精度；另外，Purcell[PurcellST,VincentP,JournetC,etal.Tuningofnanotubemechanicalresonancesbyelectricfieldpulling[J].PhysicalReviewLetters,2002,89(27):276103.]等用拉伸方法使用的系统偏压太高，且其调节范围受限于系统可承受张力的大小。因而，对于悬臂梁式碳管谐振器来说，有必要采取一种新型的方法，能够可逆可重复，并且以较高精度调节纳米谐振器的谐振频率。碳纳米管谐振频率除了可以通过改变悬臂梁质量和拉伸应力来实现，还可以通过内部结构的变化来实现。事实上碳纳米管本征频率对内部的缺陷结构非常敏感，如果能够以可逆可控的方式引入和消除缺陷，那么碳纳米管谐振器的共振频率将可以得到相应的调节。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节方法。本专利技术包括以下步骤：1)制备悬臂梁多壁碳纳米管谐振器；2)电子束辐照实现频率下降；3)焦耳热实现频率上升，实现悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节。在步骤1)中，所述制备悬臂梁多壁碳纳米管谐振器的具体方法可为：用针尖在沾有样品的金丝上选出单根碳纳米管，对其沉积无定形碳，使针尖和碳纳米管衔接牢固，移动针尖使碳纳米管离金对电极一定距离，形成悬臂梁式碳纳米管谐振器；所述针尖可采用电化学法将一根0.2mm的钨丝腐蚀成尖端曲率半径为10～20nm的钨针尖；所述金丝用于制备金对电极和基底，所述金丝的直径可为0.25mm，金丝的一端呈扁平状；所述碳纳米管可采用电弧放电方法制备；在步骤2)中，所述电子束辐照实现频率下降的具体方法可为：(1)利用步骤1)制备的碳纳米管谐振器，调节透射电镜到预定的放大倍数，电子束聚焦至需要的电流密度，均匀覆盖住整根碳纳米管，并相隔固定时间记录一次碳纳米管的共振频率；(2)使用不同强度的电子束对碳纳米管进行照射，得到对应的碳纳米管频率漂移速率和调节精度。在步骤3)中，所述焦耳热实现频率上升的具体方法可为：对制备好的碳纳米管谐振器施加电流脉冲，确认碳纳米管的一端与金对电极紧密接触并施加电流脉冲或恒电流；所述电流脉冲可采用单次电流脉冲或多次电流脉冲。本专利技术利用电子束辐照和焦耳热的方式，利用高能电子束辐照碳纳米管引入缺陷和利用电流焦耳热退火消除缺陷。通过电子束辐照碳纳米管，实现碳纳米管谐振器的谐振频率可控下降，调控精度可高达0.1％/min，这一精度超过现有方法约一个数量级；通过电流产生焦耳热的方式，实现碳纳米管谐振器的谐振频率可控上升。此外，上述可逆调节过程还具有很好的可重复性。本专利技术的技术效果体现如下：(1)通过电子束辐照碳纳米管，实现碳纳米管谐振器可调节的频率下降，调控精度可高达0.1％/min；(2)通过电流产生焦耳热的方式，让碳纳米管在电镜内完成原位退火再结晶的结构变化，实现碳纳米管谐振器可调节的频率上升；(3)上述可逆过程可以被多次重复。附图说明图1为悬臂梁多壁碳纳米管谐振器的制备；图2为悬臂梁多壁碳纳米管谐振器的本征激发；其中a为发生本征激发的碳纳米管，b为钨针尖；图3为碳纳米管在电流密度为979.2mA/cm2的电子束照射下其共振频率随时间变化的关系；图4为电子束辐照后碳纳米管的高分辨图；图5为电子束辐照后碳纳米管的高分辨图；图6为通电流焦耳热效应后碳纳米管的高分辨图；图7为再次用电子束辐照后碳纳米管的高分辨图；图8为碳纳米管受不同强度的电子束照射时，其频率随时间变化示意图；图9为多壁碳纳米管与Au对电极接触后通脉冲电流的TEM图像；图10多次施加脉冲电流的I-V曲线；图11为分别对碳纳米管施加10μA单次脉冲电流和20s恒定电流的频率变化图。具体实施方式下面通过实施例对本专利技术做进一步说明。1单根悬臂梁多壁碳纳米管谐振器的制备用针尖在沾有样品的金丝上选出单根碳纳米管，在针尖和碳纳米管接触处沉积无定形碳，使针尖和碳纳米管衔接牢固，移动针尖使碳纳管离金对电极500nm左右，形成单根悬臂梁式碳纳米管谐振器如图1所示。利用外接信号发生器产生交流信号，调节其频率使碳管在基频产生共振(即一阶共振)。记录下此时的共振频率(图2)。2电子束辐照实现频率下调具体过程如下：(1)利用前面制备好的碳纳米管谐振器，调节透射电镜的放大倍数，让碳纳米管在透射电镜的荧光屏上的像尽可能达到最大，聚焦透射电镜的电子束至需要的电流密度，均匀辐照整根碳纳米管，每隔1min记录一次碳纳米管共振频率的数值，从而跟踪碳纳米管共振频率随着电子束照射时间的变化。如图3所示，实验中采用979.2mA/cm2强度的电流密度照射碳纳米管40min(即点1-2)，可以看出随着时间的推移，碳纳米管的共振频率随之从7.64MHz下降到6.49MHz，且下降速率比较恒定。再对碳纳米管谐振器的根部区域拍摄高分辨透射显微图像。电子束辐照前，如图4所示，碳纳米管呈现二维晶格结构，具有清晰的晶格条纹；电子束辐照后，如图5所示，形成无序的非晶结构。表明碳纳米管谐振器可以在电子束辐照下调节其共振频率，且共振频率的漂移是由其显微结构的无定形化所引起的。(2)电子束辐照与碳纳米管谐振器的共振频率之间的关系及频率可调精度；分别使用1.52A/cm2、0.88A/cm2、0.33A/cm2强度的电子束对碳纳米管谐振器进行照射15min，得到碳纳米管的频率漂移速率和调节精度如图8。可以看出，在电子束强度较高的情况下，碳纳米管共振频率随时间更快；在强度较低的情况下，碳纳米管的共振频率随时间变化有所放缓。若继续选择更低的电子束强度的照射，碳纳米管的频率调节精度可高达0.1％/min。3焦耳热效应实现频率上升具体过程如下：(1)将图1中所示的碳管谐振器的另一端与对电极接触(图9)，对其多次施加电流脉冲(电压设置为0～2V，时间跨度是1s，电流限制在10μA)。相应的I-V曲线可以看到其电阻随着脉冲次数的增加不断减小，暗示其缺陷结构在焦耳热作用下被逐渐消除(图10)。之后将碳管悬臂梁再本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节方法，其特征在于包括以下步骤：1)制备悬臂梁多壁碳纳米管谐振器；2)电子束辐照实现频率下降；3)焦耳热实现频率上升，实现悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节。

【技术特征摘要】
1.一种悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节方法，其特征在于包括以下步骤：1)制备悬臂梁多壁碳纳米管谐振器；2)电子束辐照实现频率下降；3)焦耳热实现频率上升，实现悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节。2.如权利要求1所述一种悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节方法，其特征在于在步骤1)中，所述制备悬臂梁多壁碳纳米管谐振器的具体方法为：用针尖在沾有样品的金丝上选出单根碳纳米管，对其沉积无定形碳，使针尖和碳纳米管衔接牢固，移动针尖使碳纳米管离金对电极一定距离，形成悬臂梁式碳纳米管谐振器。3.如权利要求2所述一种悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节方法，其特征在于所述针尖采用电化学法将一根0.2mm的钨丝腐蚀成尖端曲率半径为10～20nm的钨针尖。4.如权利要求2所述一种悬臂梁碳纳米管谐振器频率的调节方法，其特征在于所述金丝用于制备金对电极和基底，所述金丝的直径为0.25mm，金丝的一端呈扁平状。5.如权利要求2...

【专利技术属性】
技术研发人员：王鸣生，张小敏，张彬，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35