多壁碳納米管/高密度聚乙烯復(fù)合體系在太赫茲波段的光學(xué)性質(zhì)研究

陳 欣,陳西良

(1.河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,環(huán)境與分析科學(xué)研究所,河南開封 475004;

2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系,河南開封 475003）

多壁碳納米管/高密度聚乙烯復(fù)合體系在太赫茲波段的光學(xué)性質(zhì)研究

陳 欣1＊,陳西良2

(1.河南大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院,環(huán)境與分析科學(xué)研究所,河南開封 475004;

2.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程系,河南開封 475003）

利用太赫茲時域光譜研究了多壁碳納米管/高密度聚乙烯(MWNTs/HDPE)復(fù)合體系的光學(xué)性質(zhì).第一次使用MG模型提取了不同濃度下MWNTs的光學(xué)常數(shù),并利用DL模型對結(jié)果進行了解釋.

多壁碳納米管;太赫茲時域光譜;介電性質(zhì)

Abstract:The optical properties of multi-walled carbon nanotube/high density polyethylene(MWNTs/HDPE)composites were explored with terahertz time-domain spectroscopy.The optical constants of MWNTs at different concentrations were extracted by applying MG model for the first time,and then analyzed with DL model.

Keywords:multi-walled carbon nanotubes;terahertz time-domain spectroscopy;dielectric properties

碳納米管具有優(yōu)異的性能,在電子器件、儲氫材料和場發(fā)射元件等許多領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值.目前,有關(guān)碳納米管的微波和紅外性質(zhì)已經(jīng)開展了很多研究[1-3],但是大多數(shù)工作還限于單壁碳納米管(SWN T),對多壁碳納米管(MWNT)的研究卻很少有報道.SWNTs的導(dǎo)電性依賴于石墨層的手性,而MWNTs即使在低溫下一般也被認為是金屬性的[4].Jun等[5]研究發(fā)現(xiàn)MWNTs在高頻下可以攜帶更高的電流,有望用作吉赫茲(GHz)、太赫茲(THz)波段的傳輸和連接線,因此有必要研究MWNTs在太赫茲波段的介電性質(zhì).

1 實驗部分

在本文中,作者利用太赫茲時域光譜研究了多壁碳納米管/高密度聚乙烯(MWNTs/HDPE)復(fù)合體系的光電性質(zhì),通過有效介質(zhì)(MG)理論提取了MWNTs在太赫茲波段的光學(xué)常數(shù),并使用DL模型對實驗結(jié)果進行了理論解釋.樣品測試過程如文獻[6]所述.

2 結(jié)果與討論

圖1(a)給出了MWNTs/HDPE復(fù)合材料的吸收系數(shù)α隨頻率f的變化關(guān)系.HDPE的吸收系數(shù)很小,在測量的頻率范圍內(nèi)小于5 cm-1,與文獻[6]報道的結(jié)果很相近.α隨頻率的增加逐漸增大;并且隨著MWNTs的加入,體系的α迅速增大,這是由于MWNTs是太赫茲波段的良導(dǎo)體,其內(nèi)部的載流子對 THz輻射具有很強的吸收.提高MWNTs的質(zhì)量分數(shù)使復(fù)合物體系中載流子數(shù)目增加,從而使吸收增強.圖1(b)給出了折射率 n隨頻率f的變化關(guān)系.HDPE的折射率約為1.52,隨頻率的變化不大.復(fù)合體系的折射率隨頻率的增加而逐漸降低,隨MWNTs濃度的增加而增大.

圖1 高密度聚乙烯和不同MWNTs質(zhì)量分數(shù)的復(fù)合體系的吸收系數(shù)(a)和折射率(b)隨頻率的變化關(guān)系Fig.1 The frequency dependence of absorption coefficient(a)and refractive index(b)of pure HDPE and composites filled with MWNTs at various mass fraction

MG理論可以用來描述金屬或者半導(dǎo)體顆粒分散在連續(xù)絕緣介質(zhì)中復(fù)合體系的電介質(zhì)性質(zhì).MG公式為:

其中,εeff即測量得到的復(fù)合體系的有效介電常數(shù),εm和εi分別為MWNTs和 HDPE的介電常數(shù).f和D分別表示填充的體積分數(shù)和去極化因子.所以只需確定D的值即可通過公式(1)得到MWN Ts的介電常數(shù).D的取值范圍為0～1,它和屏蔽參數(shù)κ滿足公式κ=(1-D)/D.D和κ的值取決于顆粒的形狀和顆粒相對于入射光的取向.當(dāng)顆粒為球形時,D=1/3,κ=2;當(dāng)顆粒為針狀且軸向平行于入射光的方向時,D=1/2,κ=1;當(dāng)顆粒為盤狀且入射光平行于盤的徑向時,D=1,κ=0;而當(dāng)入射光方向平行于盤狀顆粒的軸向或者垂直于針狀顆粒的軸向時,D=0,κ～ ∞.如圖2所示,用不同濃度的復(fù)合體系提取得到的MWNTs的折射率和吸收系數(shù)曲線基本是重合的,與許多文獻報道的值相同[1,7],去極化因子 D=0.01趨近于0,說明在制備樣品的過程中,由于攪拌和模壓,使得針狀的MWN Ts顆?；旧洗怪庇谌肷涔獾姆较?

圖2 通過MG理論提取得到的吸收系數(shù)(a)和折射率(b)隨頻率的變化關(guān)系,實線為DL模型擬合的結(jié)果Fig.2 Absorption coefficient(a)and refractive index(b)obtained by MGfitting as a function of frequencies

碳納米管的介電性質(zhì)可以用Drude-Lorentz(DL)模型來分析,即:公式(2)右邊前兩項為Drude項,它可以用于描述金屬和半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電性質(zhì).參數(shù)ωp是等離子體頻率,Γ為電荷弛豫率,Γ =1/τ,τ是載流子的碰撞時間.ε∞為高頻介電常數(shù).第三項為Lorentz振蕩項,ωp、ωj和Γj分別為振蕩強度、聲子頻率和線寬.

對實驗結(jié)果的擬合在圖2中以實線標(biāo)示.ε∞=5.44,等離子體頻率與文獻[7]報道的結(jié)果相近,但是遠小于文獻[1]中的結(jié)果,這是因為碳納米管的電導(dǎo)率不同所致.直流電導(dǎo)率正比于等離子體頻率的平方,所以較低的等離子體頻率與其較低的電導(dǎo)率有關(guān).作者擬合得到的τ為12 fs,碳納米管中電子的費米速度υf≈0.85 nm/fs,可以得到散射長度l為10 nm,與Zhou等人[8]利用直流電導(dǎo)測量得到的結(jié)果是一致的.碳納米管由于其很高的長徑比和巨大的比表面積,很容易纏結(jié)、團聚,所以在體系中,充當(dāng)散射中心的是碳納米管之間形成的連接點,從而降低了碳納米管的散射長度;另一方面,CVD生長的MWNTs中存在很多缺陷,并且含有一些無定形碳和化學(xué)雜質(zhì),這些缺陷可以使MWNTs的散射長度降低到幾個納米[9].擬合還發(fā)現(xiàn)在5.3 THz附近有一個局域的吸收峰.有關(guān)低頻局域吸收的微觀機理的認識目前尚不統(tǒng)一.理論計算發(fā)現(xiàn)由于單壁碳納米管的彎曲而出現(xiàn)一個小的能隙,在20 meV附近存在電子的躍遷[10];而Ugawa[1]的結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)這個局域吸收對溫度不敏感,這與上述的能帶理論是不相容的.所以Jeon等人[3]認為聲子的集體振動才是局域共振吸收可能的起因.

3 結(jié)論

利用 THz-TDS裝置研究了MWNTs/HDPE復(fù)合體系在0.4～2 THz頻率范圍內(nèi)的介電性質(zhì).研究發(fā)現(xiàn)MWNTs的加入會顯著提高體系的折射率和吸收系數(shù);當(dāng)去極化因子取值為0.01時,可以利用MG理論提取MWNTs在該波段的介電性質(zhì),并利用DL模型對MWNTs的介電性質(zhì)進行理論分析.

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Study on the optical poperties of multi-w alled carbon nanotube/high density polyethylene composites in terahertz band

CHEN Xin1＊,CHEN Xi-liang2

(1.Institute of Environmental and Analytical Sciences,College of Chemistry and Chemical Engineering,Henan University,Kaif eng475004,Henan,China; 2.Department of Environmental and Chemical Engineering,Yellow River Conservancy Technical Institute,Kaif eng475003,Henan,China)

O 649

A

1008-1011(2011)01-0006-03

2010-10-27.

中國科學(xué)院核分析技術(shù)聯(lián)合開放實驗室基金資助項目.

陳 欣(1981-),女,博士,講師,研究方向為材料化學(xué).