【導讀】碳納米管森林由許多垂直生長的碳納米管組成，看起來像一個“森林”
，因此得名。每個碳納米管（CNT）是(shi)由(you)單(dan)層(ceng)或(huo)多(duo)層(ceng)石(shi)墨(mo)烯(xi)片(pian)卷(juan)曲(qu)形(xing)成(cheng)的(de)圓(yuan)筒(tong)結(jie)構(gou)
，其(qi)直(zhi)徑(jing)在(zai)納(na)米(mi)級(ji)別(bie)，長(chang)度(du)可(ke)以(yi)達(da)到(dao)數(shu)微(wei)米(mi)甚(shen)至(zhi)數(shu)毫(hao)米(mi)。碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)森(sen)林(lin)中(zhong)的(de)這(zhe)些(xie)納(na)米(mi)管(guan)密(mi)集(ji)排(pai)列(lie)，垂(chui)直(zhi)生(sheng)長(chang)於(yu)基(ji)底(di)上(shang)。

碳納米管森林由許多垂直生長的碳納米管組成，看起來像一個“森林”，因此得名。每個碳納米管（CNT）是(shi)由(you)單(dan)層(ceng)或(huo)多(duo)層(ceng)石(shi)墨(mo)烯(xi)片(pian)卷(juan)曲(qu)形(xing)成(cheng)的(de)圓(yuan)筒(tong)結(jie)構(gou)，其(qi)直(zhi)徑(jing)在(zai)納(na)米(mi)級(ji)別(bie)，長(chang)度(du)可(ke)以(yi)達(da)到(dao)數(shu)微(wei)米(mi)甚(shen)至(zhi)數(shu)毫(hao)米(mi)。碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)森(sen)林(lin)中(zhong)的(de)這(zhe)些(xie)納(na)米(mi)管(guan)密(mi)集(ji)排(pai)列(lie)
，垂(chui)直(zhi)生(sheng)長(chang)於(yu)基(ji)底(di)上(shang)。

碳納米管塗層纖維的特點

高比表麵積：碳納米管森林有巨大的表麵積，有助於提高催化、傳感
、儲能等方麵的性能。

優異的力學性能：碳納米管具有極高的強度和韌性。

電學與熱學性能：它們表現出優異的導電性和導熱性。

CNT 塗層纖維的應用

能源領域：用於鋰離子電池、電容器、太陽能電池等。

傳感器：製成高靈敏度的化學傳感器、壓力傳感器等。

電子器件：用作場效應晶體管
、導電材料等。

複合材料：增強聚合物、金屬等材料的力學性能。

CNT 塗層纖維的關鍵參數

壓阻（Piezoresistance）

CNT 的壓阻特性可以應用於高靈敏度傳感器，用於製造高靈敏度的壓力傳感器和應變傳感器。這些傳感器可以檢測微小的壓力或形變變化
；可以製成柔性薄膜 , 結合其壓阻特性 , 可用於開發柔性觸摸屏
、可穿戴設備等柔性電子產品

；在鋰電池等能源存儲設備中 , 碳納米管可作為導電劑 , 其壓阻特性可用於監測電池內部壓力變化 , 提高電池安全性等。

壓阻特性受到 CNT 的直徑、密度、內部連通性和均勻性等參數的影響。例如 CNT(5-30 nm) 比較大直徑的 CNT(50-70 nm) 具有更高的柔韌性和更多的 CNT- CNT 接觸 , 有利於提高壓阻靈敏度。CNT 密度越高 ,CNT-CNT 接觸越多 , 有利於形成更好的導電通路 , 從而提高壓阻靈敏度。

接觸電阻（Contact Resistance）

接觸電阻是影響 CNT 傳感器靈敏度的主要因素。模擬結果表明 ,CNT- 電極接觸點的數量增加會顯著降低整體電阻 , 這是導致靈敏度較高的主要原因。相比之下 ,CNT-CNT 內部接觸點的增加對整體電阻的影響要小得多。

對(dui)於(yu)相(xiang)對(dui)較(jiao)短(duan)的(de)碳(tan)納(na)米(mi)管(guan)森(sen)林(lin)，接(jie)觸(chu)電(dian)阻(zu)和(he)固(gu)有(you)電(dian)阻(zu)的(de)變(bian)化(hua)是(shi)平(ping)衡(heng)的(de)
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光熱電壓 (Photothermoelectric, PTE)

光熱電壓是指當材料受到光照時產生的熱電壓。碳納米管薄膜 (CNT Film) 由於其獨特的一維結構和優異的光學、熱學和電學性質 , 可能表現出顯著的光熱電效，可以產生光熱電效應 , 即當受到光照時會產生溫度差 , 進而產生熱電壓。這種光熱電轉換特性可以用於開發自供電的中紅外探測器。這種基於光熱電效應的探測器具有寬頻帶
、自供電等優點 , 為工業監測和可穿戴傳感器等應用提供了新的機會。

案例一：如何測試碳納米管森林的接觸電阻和內在電阻

將 CNT 塗層纖維放置在具有交錯電極的基板上 , 使用納米壓痕儀施加 10 mN 的最大壓力。使用數字萬用表同時記錄纖維的位移
、力和電阻。通過測量電極間的電壓差和電流 , 可以得到總電阻。總電阻是接觸電阻和內在電阻的綜合體現。總電阻隨著 CNT- 電極接觸點的增加而近乎線性增加 , 表明接觸電阻是主導因素。

通過設置與電極接觸的 CNT 節點的電壓等於電極的電壓 , 可以計算出接觸電阻。這種計算方式考慮了 CNT-電極接觸的影響。內阻是由 CNT-CNT 接觸數量決定的。通過設置與電極接觸的 CNT 節點的電壓等於電極電壓 , 可以計算出內在電阻。短 CNT 森林的內在電阻在壓縮過程中會快速下降 , 這一變化速度可能大於接觸電阻的變化。

實驗和模擬結果表明 ,CNT- 電極接觸是導致最大電阻變化的機製。相對於 CNT-CNT 接觸 ,CNT- 電極接觸對總電阻的影響更為顯著。

案例二：基於MXene電子的碳納米管森林大麵積立式光熱電探測器係統設計

如何進行基於碳納米管森林和 MXene 電極的大麵積垂直光熱電 (PTE) 探測器的係統設計？PTE探測器結合光熱和熱電轉換 , 實現有效的紅外檢測 , 克服了帶隙限製。該研究提出了利用碳納米管森林和MXene作為頂部電極的垂直PTE探測器 , 展示了敏感的紅外檢測和快速響應。

該測試使用Keithley 6487 和Keithley 6500測量 I-V 曲線，使用Keithley 6500 測量電阻。測量I-V 曲線可以用於表征器件的電學性能；測量電阻可以用於評估器件的導電性能。這些測量有助於理解器件的工作機理 , 並優化器件的性能，測量電阻還可以用於監測器件在使用過程中的穩定性。

案例三：基於致密化碳納米管森林和生物的導電3D納米生物雜化係統

本文介紹了使用致密碳納米管 (CNT) 森林與活細胞集成的導電 3D 納米生物混合係統的發展 , 應用於生物電子學和生物機器人領域。研究發現導電生物混合細胞 - 材料係統對於器官芯片係統和肌肉執行器等各種應用很重要。目前的導電支架在導電性或結構上受到限製 , 突出了 3D 生物混合係統的需求。選擇碳納米管 (CNT) 森林是因為它們具有獨特的性質 , 包括高電導率和良好的機械適應性。該研究開發了具有增強細胞相容性的 CNT 森林支架 , 並證明了細胞的存活和功能。CNT 森林上的明膠塗層導致了密集化並形成了 3D 結構 , 為細胞生長和擴散提供了合適的支架。這項研究有助於先進生物混合係統的發展 , 並具有廣泛的應用前景。

文中使用 Keithley 4200A-SCS 參數分析儀進行四探針測試法，來測量 CNT 森林的電導率。通過測量兩個內探針之間的電壓降 , 並結合電流的線性掃描 , 計 算出樣品的電阻和電導率。這種四探針測試法可以準確測量材料的電導率 , 不受電極接觸電阻的影響，以此來評估 CNT 森林的電學性能，高精度高可靠的確保提高細胞與 CNT 之間的電子和離子傳輸能力。

四探針測試功能以及數據

測試方案

泰克吉時利作為小信號領域的測試專家
，提供豐富的產品助力碳納米管複合材料的研究。

擁有集高精度、高分辨率數字萬用表
、圖形觸摸屏顯示器和高速、高分辨率數字化器於一身的圖形采樣萬用表。以及電流分辨率低至 1fA 的皮安表
，其支持測量高達 20mA 的電流，比如測量 4-20mA 傳感器回路。也支持高吞吐量生產測試需求，最高每秒 1,000 個讀數。還有專業內性能領先的 4200A-SCS 電學特性參數分析儀，提供同步電流電壓曲線測試 (I-V 曲線測試 )、電容-電壓曲線測試 (C-V 曲線測試 ) 和超快脈衝 I-V 曲線測量。

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