【摘要】：諧振器作為一種產(chǎn)生諧振頻率的器件,幾乎應(yīng)用于所有涉及頻率發(fā)射和接收的電子產(chǎn)品和元器件中。隨著納米科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,基于納機(jī)電系統(tǒng)(NEMS)的諧振器件的研究正獲得廣泛關(guān)注。相較于傳統(tǒng)的微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)支持下的諧振器件,納機(jī)電諧振器具有小至納米級(jí)的尺寸、高達(dá)GHz的諧振頻率以及105數(shù)量級(jí)的Q值(機(jī)械品質(zhì)因數(shù)),有望替代現(xiàn)有石英晶體諧振器,具有非常光明的應(yīng)用前景。本課題將碳納米管作為諧振器,以調(diào)控碳納米管的諧振頻率及品質(zhì)因數(shù)為主要研究目的,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究了碳納米管振動(dòng)特性的檢測(cè)及調(diào)控方法。首先,基于靜電力激勵(lì)碳納米管振動(dòng)的原理,建立碳納米管振動(dòng)模型,在掃描電子顯微鏡(SEM)中借助微納米操作器搭建了碳納米管振動(dòng)平臺(tái);其次,設(shè)計(jì)了基于信號(hào)發(fā)生器掃描頻率以及掃描電鏡二次電子成像的碳納米管振動(dòng)特性檢測(cè)方法。最后,通過(guò)調(diào)控碳納米管長(zhǎng)度及在碳納米管尖端加上質(zhì)量塊的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳納米管振動(dòng)頻率和品質(zhì)因數(shù)的調(diào)控。本課題主要研究?jī)?nèi)容如下:(1)基于碳納米管懸臂梁式的振動(dòng)方式建立了碳納米管的振動(dòng)模型,并在此基礎(chǔ)上得出了碳納米管振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程,通過(guò)拉氏變換得出其方程進(jìn)而計(jì)算出動(dòng)力學(xué)表達(dá)式。研究了碳納米管振動(dòng)的主要性能參數(shù)及特點(diǎn),得出了碳納米的有效質(zhì)量以及特征尺寸等相關(guān)參數(shù)對(duì)碳納米管諧振頻率及品質(zhì)因數(shù)Q值的影響。(2)基于碳納米管的振動(dòng)模型以及靜電力激勵(lì)碳納米管振動(dòng)的原理,結(jié)合掃描電子顯微鏡和微納米操作器搭建了碳納米管振動(dòng)平臺(tái)。首先,通過(guò)碳納米管拾取平臺(tái)從碳納米管基底上拾取一根碳納米管。其次,將作為振動(dòng)電極的碳納米管和固定電極的鎢針分別安裝在相互垂直的兩個(gè)微米操作器上,采用一個(gè)信號(hào)發(fā)生器作為激勵(lì)碳納米管振動(dòng)的信號(hào)源。最后,通過(guò)仿真計(jì)算得出的碳納米管的共振頻率,并通過(guò)信號(hào)發(fā)生器在共振頻率附近掃描實(shí)現(xiàn)碳納米管的振動(dòng)。(3)設(shè)計(jì)了基于信號(hào)發(fā)生器掃描頻率及掃描電子顯微鏡二次電子成像的振動(dòng)頻率和振幅檢測(cè)方法。碳納米管的振動(dòng)是由信號(hào)發(fā)生器輸出的交流信號(hào)激勵(lì)引起的,因此本課題是通過(guò)信號(hào)發(fā)生器的輸出頻率得出碳納米管的振動(dòng)頻率并借助掃描電子顯微鏡的二次電子成像獲取碳納米管的振動(dòng)圖像并由此測(cè)得碳納米管的振幅。最后將采集的多組幅頻數(shù)據(jù)通過(guò)Origin軟件擬合成幅頻曲線并計(jì)算得出諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)Q的值。(4)本課題設(shè)計(jì)了兩種振動(dòng)特性調(diào)控方法。第一種方法是通過(guò)調(diào)控碳納米管長(zhǎng)度來(lái)調(diào)控碳納米管的振動(dòng)特性。實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變拾取策略及通過(guò)電子束輻照的方式來(lái)獲取不同長(zhǎng)度的碳納米管。第二種方法是通過(guò)場(chǎng)發(fā)射誘導(dǎo)Pt質(zhì)量塊在碳納米管尖端生長(zhǎng)的方式來(lái)調(diào)控振動(dòng)特性。對(duì)于兩種調(diào)控方法,首先進(jìn)行了理論分析和仿真,最終通過(guò)實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。
【圖文】：

掃描電子顯微鏡下碳納米管振動(dòng)特性檢外研究現(xiàn)狀991 年日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)碳納米管以來(lái)，，對(duì)碳納米管各種特性的研究追逐的熱點(diǎn)。碳納米管因其優(yōu)異的力學(xué)及電學(xué)特性已經(jīng)成為制造微想材料之一。碳納米管 NEMS 器件的自然頻率極高，具有超高的納米管的獨(dú)特結(jié)構(gòu)使其還具有優(yōu)異的電學(xué)特性，超大的長(zhǎng)徑比使得的場(chǎng)發(fā)射特性。國(guó)內(nèi)外多個(gè)頂尖的科研團(tuán)隊(duì)正致力于基于碳納米管，其中包括碳納米管場(chǎng)效應(yīng)管、碳納米管諧振器、碳納米管場(chǎng)發(fā)射。同樣受到關(guān)注的還有基于碳納米管振動(dòng)的 NEMS 器件的應(yīng)用，碳納米管收音機(jī)、納米陀螺儀[11-12]等。

納米管振動(dòng)特性檢測(cè)及調(diào)控研究 靜電力激勵(lì)的方式驅(qū)動(dòng)碳納米管振動(dòng)，并檢測(cè)了諧振頻調(diào)控方式未做進(jìn)一步研究。自俄羅斯科學(xué)院納米技術(shù)研究所的 S. V. Bulyarskiya 等電力激勵(lì)的方式來(lái)驅(qū)動(dòng)懸臂梁式碳納米管振振動(dòng)，通過(guò)納米管的振動(dòng)頻率[14]。如圖 1-2 所示為他們搭建的實(shí)驗(yàn)粘附由一根碳納米管，探針 2 作為場(chǎng)發(fā)射的陽(yáng)極，探驅(qū)動(dòng)電極。作者同樣是通過(guò)靜電力激勵(lì)碳納米管振動(dòng)，，同樣未對(duì)振動(dòng)特性的調(diào)控做進(jìn)一步研究。
【學(xué)位授予單位】：蘇州大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN16;TN751.2

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2670481