碳纳米管电特性测量技术的研究

碳纳米管电特性测量技术的研究Electricalpropertiesofcarbonnanotubesmeasuringtechnologyresearch学科专业：测试计量技术及仪器研究生：何斌指导教师：傅星教授天津大学精密仪器与光电子工程学院二零零八年五月独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：签字日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解天津大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权天津大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）学位论文作者签名：导师签名：签字日期：年月日签字日期：年月日摘要碳纳米管以其优良的物理和化学特性受到了广泛关注，成为21世纪推动科技发展的新动力。在其各种突出的特性中又以电学特性尤为显著，在多个领域有着广泛的应用前景，如碳纳米管组成的场效应晶体管、电子场致发射、传感器等方面。因此，对碳纳米管基本电特性的研究是非常重要而且有意义的。本文在认真研究和分析国内外研究成果的基础上设计了测量碳纳米管基本电特性的系统。在利用现有实验室AFM的条件下，自行设计电极与电路系统。使用AFM来实现对碳纳米管的观察与操作，电路系统达到激励及测量碳纳米管的电特性的目的。在电路系统中，信号发生模块以FPGA为核心利用DDS技术可自行编程产生任意波形对碳纳米管进行激励，为更多探索碳纳米管电特性的提供了条件；测量模块中则实现了对微小直流交流电流的检测。实验表明该系统可行，能够完成对碳纳米管阻抗容抗测量，为后续的更多研究打好基础。本文完成的主要工作有：1)完成碳纳米管电特性测量系统的整体设计。包括系统总体设计方案，测量系统的三个组成部分。2)完成电路系统的硬件设计，设计了具体的硬件构成方案及器件的选型，分为信号发生模块与信号采集模块，实现对碳纳米管激励以及对微小电流信号的采集功能。3)完成基于FPGA的信号发生算法设计，包括使用Verilog编程对SRAM和DA的协调与控制，利用DDS技术产生正弦波形。4)完成基于FPGA的通讯算法设计，包括通过UART与上位机通讯，通过SPI对Flash完成读写操作。5)完成对碳纳米管的观察及推移操作，利用AFM将碳纳米管推为特定的形态。关键词：碳纳米管电特性，DDS，FPGA，碳纳米管推移ABSTRACTCarbonnanotubewithexcellentphysicalandchemicalpropertieshavebeenwidespreadconcern,andwillbecomeanewdrivingforcefortechnologicaldevelopmentin21thcentury.Theelectricalpropertiesofnanotubeisthemostsignificantlyinitsvariousprominentfeatures,inmanyareasithasabroadprospect.Basedonthecarefulstudyandanalysisofscientificresearchathomeandabroad,Idesignthemeasurementsystemofcarbonnanotube’sbasicproperty.IntheuseofexistinglaboratoryAFM,theelectrodesandcircuitsystemsaredesignedbyourown.Experimentsshowthatthesystemviableisabletocompletethecapacitivereactanceandimpedancemeasurementofcarbonnanotube,andlaythefoundationformoreresearch.Thecompletedworkmainlyincludesfiveaspectsasfollow:1)Theoveralldesignofmeasurementsystem,includingtheoperationmodeofthesystem,thechoiceofDDStechnology.2)Hardwaredesign,includingthedeviceselectionandcircuitdesign.3)CompleteFPGA-basedsignalgeneratingalgorithmdesign,includingtheuseofVerilogprogrammingofSRAMandDAcoordinationandcontrol,usingDDStechnologytogenerateasinewave.4)FPGA-basedcommunicationsalgorithmdesign,includingthroughtheUARTcommunicationwiththePC,throughtheSPIFlashtoreadandwriteoperations.5)Completionofcarbonnanotubeovertheobservationandoperation,useAFMtopushcarbonnanotubeforaparticularshape.KEYWORDS：Electricitypropertyofnanotube,DDS,FPGA,Nanotubemanipulation目录第一章绪论...........................................................................................................1 1.1碳纳米管结构及特性..............................................................................1 1.2碳纳米管研究的发展现状......................................................................3 1.3本课题研究的意义和主要内容..............................................................6 第二章碳纳米管电特性测量系统原理分析及总体设计...................................8 2.1碳纳米管电特性测量机理......................................................................8 2.2测量系统构成及工作原理....................................................................14 第三章电路系统的硬件设计.............................................................................21 3.1电路系统硬件的总体设计....................................................................21 3.2信号发生模块的硬件设计....................................................................22 3.3信号采集模块的硬件设计....................................................................35 第四章测试系统的软件设计.............................................................................37 4.1信号发生模块软件设计........................................................................37 4.2Matlab产生波形数据程序设计............................................................48 第五章系统实验及数据分析.............................................................................49 5.1激励模块硬件调试................................................................................49 5.2测量模块硬件调试................................................................................57 5.3碳纳米管推移实验................................................................................62 第六章总结与展望.............................................................................................65 参考文献...............................................................................................................67 发表论文和参加科研情况说明...........................................................................71 致谢...............................................................................................................72 第一章绪论1第一章绪论1.1碳纳米管结构及特性1.1.1碳纳米管的结构1991年，日本电子公司（NEC）的饭岛澄男（Iijima）博士在用电子显微镜观察石墨电极直流放电的产物时，发现一种新的碳结构——碳纳米管（CarbonNanotube，CNT），自此开辟了碳科学发展的新篇章，也把人们带入了纳米科技的新时代[1]。碳纳米管，又名巴基管，是一种具有特殊结构（径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级、管子两端基本上都封口）的一维量子材料，可看作是由片层结构的石墨卷成的无缝中空的纳米级同轴圆柱体，两端由富勒烯半球封帽而成。按片层石墨层数分类，可分为单壁碳纳米管（SWCNT）和多壁碳纳米管（MWCNT）[1-2]。单壁碳纳米管可看成是由单层片状石墨卷曲而成，而多壁碳纳米管可理解为不同直径的单壁碳纳米管套装而成，层与层之间距离约0.34nm~0.40nm。根据论文碳纳米管概述所叙述的，单壁碳纳米管可以根据构成石墨片层的螺旋性，将单壁碳纳米管分为非手性型（对称）和手性型（不对称）[2]。非手性型管是指单壁碳纳米管的镜像图像同它本身一致。有两种非手性型管：扶手椅型和锯齿型。扶手椅和锯齿形象地反映了每种类型碳纳米管的横截面碳环的形状