各位好，本期是我们 材料与器件辐照损伤研究的意义与光谱学方法的应用系列文章的第九辑：碳纳米管的辐照损伤机理及光谱学研究。

在本期中，我们将会在基于目前发表的公开文献为基础，介绍碳纳米管的辐照损伤机理和原位光谱测试。

摘要

碳纳米管因其优异的力学性能、电学性能和光学性能而被广泛应用于纳米电子器件、复合材料和传感器等领域。然而，在高能粒子辐照环境下，碳纳米管的结构和性能会受到显著影响。本文综述了碳纳米管在辐照损伤下的微观结构变化及其对性能的影响，特别关注拉曼光谱、光致发光光谱（PL）和电导率测量等光谱学方法在研究中的应用。通过这些光谱学手段，可以有效揭示辐照引入的缺陷类型、载流子浓度变化以及载流子动力学行为，为理解和改善碳纳米管的抗辐照性能提供了重要依据。

引言

碳纳米管是一种重要的纳米材料，因其优异的力学性能、电学性能和光学性能而被广泛应用于纳米电子器件、复合材料和传感器等领域。近年来，随着对极端环境下材料性能需求的增加，碳纳米管在高能粒子辐照下的稳定性受到广泛关注。高能粒子辐照会导致碳纳米管中缺陷态密度的增加，影响其电学和光学性能。因此，深入研究碳纳米管的辐照损伤机理对于提高其在极端环境下的应用性能具有重要意义。

图1. CNT 基器件和电路的发展历史

近年来，光谱学方法在材料辐照损伤研究中得到了广泛应用。拉曼光谱、光致发光光谱（PL）和电导率测量等技术能够提供关于材料微观结构、缺陷态密度和载流子动力学的丰富信息。本文将重点探讨这些光谱学方法在研究碳纳米管辐照损伤中的应用，并总结相关研究进展。

图2. 空间辐射环境

碳纳米管的辐照损伤机制

1.1 晶格缺陷的形成

高能粒子辐照会导致碳纳米管中晶格缺陷的形成，包括空位、间隙原子和石墨烯层的断裂。这些缺陷会破坏碳纳米管的晶体结构，导致晶格畸变。研究表明，高能粒子辐照后，碳纳米管的拉曼光谱显示D峰（缺陷峰）强度显著增强，G峰（石墨烯峰）位置和宽度发生变化，表明晶格缺陷的增加。

图3. SWCNT 中发生移位的碳原子最大占比和电子能量的关系

1.2 载流子浓度变化

辐照引入的缺陷态会捕获载流子，改变其浓度和迁移率。研究表明，高能粒子辐照后，碳纳米管的载流子浓度显著降低，载流子迁移率也受到影响。这些变化会降低碳纳米管的电学性能，特别是在纳米电子器件和传感器中。

1.3 载流子动力学变化

辐照引入的缺陷态会改变载流子的动力学行为。时间分辨光致发光光谱（TRPL）研究表明，高能粒子辐照后，碳纳米管的载流子寿命显著缩短，这表明缺陷态对载流子的捕获作用增强。此外，载流子的扩散长度也会受到影响，进一步降低碳纳米管的电学性能。

光谱学研究方法与结果

2.1 拉曼光谱

拉曼光谱是一种非破坏性的光谱技术，能够提供关于材料晶格振动模式的信息。对于碳纳米管，其拉曼光谱中主要的振动模式包括D峰（缺陷峰）和G峰（石墨烯峰）。这些模式的峰位和强度变化可以反映晶格结构的损伤程度。研究表明，高能粒子辐照后，碳纳米管的拉曼光谱显示D峰强度显著增强，G峰位置和宽度发生变化，表明晶格缺陷的增加。

图4. 1×1016 p/cm2质子辐照后 SWCNT 悬浮区域的拉曼光谱和光致发光光谱

2.2 光致发光光谱（PL）

PL光谱是一种常用的光谱技术，用于研究材料的光学性质和缺陷态。对于碳纳米管，PL光谱可以提供关于发光效率、缺陷态密度和载流子复合过程的信息。研究表明，高能粒子辐照后，碳纳米管的PL光谱显示出发光强度的显著降低和发光峰位的蓝移。这些变化反映了缺陷态密度的增加和载流子复合过程的改变。通过拟合PL光谱，可以进一步确定缺陷态的类型和浓度。

2.3 电导率测量

电导率测量是一种常用的电学测试方法，用于研究材料的载流子浓度和迁移率。对于碳纳米管，电导率测量可以提供关于载流子浓度和迁移率的变化信息。研究表明，高能粒子辐照后，碳纳米管的载流子浓度显著降低，载流子迁移率也受到影响。这些变化会降低碳纳米管的电学性能，特别是在纳米电子器件和传感器中。

结论与展望

本文综述了碳纳米管在高能粒子辐照下的损伤机制，特别关注了拉曼光谱、光致发光光谱（PL）和电导率测量等光谱学方法在研究中的应用。通过这些光谱学手段，可以有效揭示辐照引入的缺陷类型、载流子浓度变化以及载流子动力学行为。研究表明，高能粒子辐照会导致碳纳米管的晶格畸变、载流子浓度降低和载流子动力学行为改变。这些发现为理解和改善碳纳米管的抗辐照性能提供了重要依据。

未来的研究方向包括：

1. 材料改性：通过掺杂或合金化等方法，提高碳纳米管的抗辐照性能。

2. 结构优化：设计新型的碳纳米管结构，如纳米多孔结构，以增强其抗辐照能力。

3. 多物理场耦合研究：结合热、电、光，真空原位光谱等多物理场耦合效应，深入研究碳纳米管在极端环境下的性能变化。

通过这些研究，有望开发出具有更高抗辐照性能的碳纳米管，满足纳米电子器件、复合材料和传感器等领域的需求。