多壁碳纳米管/高密度聚乙烯复合体系在太赫兹波段的光学性质研究

陈 欣,陈西良

(1.河南大学化学化工学院,环境与分析科学研究所,河南开封 475004;

2.黄河水利职业技术学院环境与化学工程系,河南开封 475003）

多壁碳纳米管/高密度聚乙烯复合体系在太赫兹波段的光学性质研究

陈 欣1＊,陈西良2

(1.河南大学化学化工学院,环境与分析科学研究所,河南开封 475004;

2.黄河水利职业技术学院环境与化学工程系,河南开封 475003）

利用太赫兹时域光谱研究了多壁碳纳米管/高密度聚乙烯(MWNTs/HDPE)复合体系的光学性质.第一次使用MG模型提取了不同浓度下MWNTs的光学常数,并利用DL模型对结果进行了解释.

多壁碳纳米管;太赫兹时域光谱;介电性质

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

碳纳米管具有优异的性能,在电子器件、储氢材料和场发射元件等许多领域具有潜在的应用价值.目前,有关碳纳米管的微波和红外性质已经开展了很多研究[1-3],但是大多数工作还限于单壁碳纳米管(SWN T),对多壁碳纳米管(MWNT)的研究却很少有报道.SWNTs的导电性依赖于石墨层的手性,而MWNTs即使在低温下一般也被认为是金属性的[4].Jun等[5]研究发现MWNTs在高频下可以携带更高的电流,有望用作吉赫兹(GHz)、太赫兹(THz)波段的传输和连接线,因此有必要研究MWNTs在太赫兹波段的介电性质.

1 实验部分

在本文中,作者利用太赫兹时域光谱研究了多壁碳纳米管/高密度聚乙烯(MWNTs/HDPE)复合体系的光电性质,通过有效介质(MG)理论提取了MWNTs在太赫兹波段的光学常数,并使用DL模型对实验结果进行了理论解释.样品测试过程如文献[6]所述.

2 结果与讨论

图1(a)给出了MWNTs/HDPE复合材料的吸收系数α随频率f的变化关系.HDPE的吸收系数很小,在测量的频率范围内小于5 cm-1,与文献[6]报道的结果很相近.α随频率的增加逐渐增大;并且随着MWNTs的加入,体系的α迅速增大,这是由于MWNTs是太赫兹波段的良导体,其内部的载流子对 THz辐射具有很强的吸收.提高MWNTs的质量分数使复合物体系中载流子数目增加,从而使吸收增强.图1(b)给出了折射率 n随频率f的变化关系.HDPE的折射率约为1.52,随频率的变化不大.复合体系的折射率随频率的增加而逐渐降低,随MWNTs浓度的增加而增大.

图1 高密度聚乙烯和不同MWNTs质量分数的复合体系的吸收系数(a)和折射率(b)随频率的变化关系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理论可以用来描述金属或者半导体颗粒分散在连续绝缘介质中复合体系的电介质性质.MG公式为:

其中,εeff即测量得到的复合体系的有效介电常数,εm和εi分别为MWNTs和 HDPE的介电常数.f和D分别表示填充的体积分数和去极化因子.所以只需确定D的值即可通过公式(1)得到MWN Ts的介电常数.D的取值范围为0～1,它和屏蔽参数κ满足公式κ=(1-D)/D.D和κ的值取决于颗粒的形状和颗粒相对于入射光的取向.当颗粒为球形时,D=1/3,κ=2;当颗粒为针状且轴向平行于入射光的方向时,D=1/2,κ=1;当颗粒为盘状且入射光平行于盘的径向时,D=1,κ=0;而当入射光方向平行于盘状颗粒的轴向或者垂直于针状颗粒的轴向时,D=0,κ～ ∞.如图2所示,用不同浓度的复合体系提取得到的MWNTs的折射率和吸收系数曲线基本是重合的,与许多文献报道的值相同[1,7],去极化因子 D=0.01趋近于0,说明在制备样品的过程中,由于搅拌和模压,使得针状的MWN Ts颗粒基本上垂直于入射光的方向.

图2 通过MG理论提取得到的吸收系数(a)和折射率(b)随频率的变化关系,实线为DL模型拟合的结果Fig.2 Absorption coefficient(a)and refractive index(b)obtained by MGfitting as a function of frequencies

碳纳米管的介电性质可以用Drude-Lorentz(DL)模型来分析,即:公式(2)右边前两项为Drude项,它可以用于描述金属和半导体材料的导电性质.参数ωp是等离子体频率,Γ为电荷弛豫率,Γ =1/τ,τ是载流子的碰撞时间.ε∞为高频介电常数.第三项为Lorentz振荡项,ωp、ωj和Γj分别为振荡强度、声子频率和线宽.

对实验结果的拟合在图2中以实线标示.ε∞=5.44,等离子体频率与文献[7]报道的结果相近,但是远小于文献[1]中的结果,这是因为碳纳米管的电导率不同所致.直流电导率正比于等离子体频率的平方,所以较低的等离子体频率与其较低的电导率有关.作者拟合得到的τ为12 fs,碳纳米管中电子的费米速度υf≈0.85 nm/fs,可以得到散射长度l为10 nm,与Zhou等人[8]利用直流电导测量得到的结果是一致的.碳纳米管由于其很高的长径比和巨大的比表面积,很容易缠结、团聚,所以在体系中,充当散射中心的是碳纳米管之间形成的连接点,从而降低了碳纳米管的散射长度;另一方面,CVD生长的MWNTs中存在很多缺陷,并且含有一些无定形碳和化学杂质,这些缺陷可以使MWNTs的散射长度降低到几个纳米[9].拟合还发现在5.3 THz附近有一个局域的吸收峰.有关低频局域吸收的微观机理的认识目前尚不统一.理论计算发现由于单壁碳纳米管的弯曲而出现一个小的能隙,在20 meV附近存在电子的跃迁[10];而Ugawa[1]的结果却发现这个局域吸收对温度不敏感,这与上述的能带理论是不相容的.所以Jeon等人[3]认为声子的集体振动才是局域共振吸收可能的起因.

3 结论

利用 THz-TDS装置研究了MWNTs/HDPE复合体系在0.4～2 THz频率范围内的介电性质.研究发现MWNTs的加入会显著提高体系的折射率和吸收系数;当去极化因子取值为0.01时,可以利用MG理论提取MWNTs在该波段的介电性质,并利用DL模型对MWNTs的介电性质进行理论分析.

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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.

中国科学院核分析技术联合开放实验室基金资助项目.

陈 欣(1981-),女,博士,讲师,研究方向为材料化学.